CHEM 162 - General Chemistry II

profileGrafa
exam_1_review.pdf

CHEM  162  Exam  1  Review  –  Winter2015     page  1  of  4  

CHEM  162:  Exam  1  Study  Guide     Chapter  15:  Chemical  Equilibrium     equilibrium:  state  where  the  forward  and  reverse   reactions  or  processes  occur  at  the  same  rate   –     Know  that  concentrations  are  not  changing  at   equilibrium,  but  they  need  not  be  equal  to  one  another.   –     Be  able  to  indicate  when  equilibrium  is  achieved   given  concentration  vs.  time  plots     Use  the  law  of  mass  action  to  write  equilibrium   expressions  for  Kc  or  Kp  for  homogeneous  and   heterogeneous  reactions.   –     Include  only  gases;  omit  pure  liquids  and  solids.     For  general  reaction,      j  A    +    k  B          l  C    +  m  D    

kj

ml

[B] [A] [D] [C]

cK =        or         k j

m l

BA

DC p

P P P P

K =  

  Extent  of  reaction   –     For  large  values  of  Kc  or  Kp  (>10

3),  the  reaction   essentially  goes  to  completion.   → The  equilibrium  mixture  consists  mostly  of  products   (product  favored)     → The  equilibrium  lies  to  the  right.   –     For  small  values  of  Kc  or  Kp  (<10

-­‐3),  the  reaction  does   not  occur  to  any  significant  degree.   → The  equilibrium  mixture  consists  mostly  of  reactants   (reactant  favored)     → The  equilibrium  lies  to  the  left.   –     For  intermediate  values  (10-­‐3  <  Kc  or  Kp  <  10

3),       the  equilibrium  mixture  contains  appreciable   amounts  of  both  reactants  and  products.     → For  Kc  or  Kp  >  1,  equilibrium  lies  to  the  right.     Equilibrium  positions:  Set  of  equilibrium  concentrations   or  partial  pressures  of  reactants  and  products  for  a   system.   –     While  Kc  or  Kp  for  a  reaction  are  constant  for  a  given   temperature,  various  equilibrium  positions  are  possible   for  that  reaction  depending  on  the  initial  concentrations   of  reactants  and  products.       Know  Kc  or  Kp  are  unitless!    

Relating  Kp  and  Kc:  Kp=Kc(RT)Δ n  

–     Be  able  to  solve  for  Δn  for  any  homogeneous  or           heterogeneous  reaction.   –     Know  that  Kp=Kc  for  Δn=0.     Reaction  Quotient  (Q):  instant  state  of  system,  not   necessarily  at  equilibrium.   –   Also  determined  using  law  of  mass  action.   –     Q  <  K:  too  many  reactants       →    System  shifts  right  to  make  more  products.     –     Q  >  K:  too  many  products       →    System  shifts  left  to  make  more  reactants.     –     Q  =  K:  system  at  equilibrium   –   To  compare  Q  and  K,  Q  must  be  determined  in  terms   of  partial  pressure  for  Kp  and  in  concentrations  for  Kc.     Determination  of  Kp  or  Kc   –     Be  able  to  solve  for  either  using  a  variety  of  

experimental  data.   – Given  equilibrium  concentrations  or  partial  P’s.   – Given  initial  &  changes  in  conc.  or  partial  P’s.   – Given  total  pressure  at  equilibrium.     Equilibrium  Problems  Solving  for  Kp  or  Kc.   1.   Get  balanced  chemical  equation   2.    Write  equilibrium  expression   3.    Set  up  equilibrium  ICE  table.     –     Let  x=change  in  conc.  or  partial  pressure.     4.    Substitute  equilibrium  conc.  or  pressures  into           equilibrium  expression  for  Kp  or  Kc.   5.   Solve  for  x,  using  quadratic  method  if  necessary.     6.   Substitute  value  for  x  into  equilibrium  conc.  or       pressures  to  solve  for  Kp  or  Kc.     Le  Chatelier's  Principle   –     A  system  at  equilibrium  will  shift  (if  possible)  to  

minimize  any  stress  (change  in  concentration,   pressure,  volume,  or  temperature)  

–     Predict  shifts  in  equilibrium  given  specific  changes.   –     Recognize  that  adding  an  inert  gas  (e.g.  He,  Ne,  etc.)  

to  a  gaseous  system  has  no  effect  on  the  equilibrium.   –     Only  changes  in  temperature  (T)  affect  Kp  or  Kc.     –     For  endothermic  reactions,  Kp  and  Kc  ↑  as  T  ↑.     –     For  exothermic  reactions,  Kp  and  Kc  ↑  as  T  ↓.  

CHEM  162  Exam  1  Review  –  Winter2015     page  2  of  4  

Chapter  15:  Chemical  Equilibrium  (Continued)     Characteristics  of  the  Equilibrium  Expression   –     For  reverse  reaction,  equilibrium  expression  is  reciprocal  of  that  for  forward  reaction   –   Multiplying  coefficients  by  factor,  n,  raises  equilibrium  constant  to  nth  power   –   Multiple  Equilibria     –   When  a  reaction  can  be  expressed  as  a  sum  of  two  or  more  reactions,  the  equilibrium  constant  for  the  overall  

reaction  is  simply  the  product  of  the  equilibrium  constants  for  the  individual  reactions.     –   Be  able  to  manipulate  a  series  of  reactions  to  determine  the  equilibrium  constant  for  an  overall  reaction.       Chapter  16:  Acids  And  Bases     •     Know  the  properties  of  acids  and  bases.    

•     Know  Arrhenius  definitions  for  acids  and  bases.     –     Know  the  general  form  of  an  Arrhenius  acid-­‐ base  neutralization  reaction:         –     acid      +      base      →      water  +  salt       •     Know  terms  monoprotic,  polyprotic,  etc.   •     Know  Brønsted-­‐Lowry  definitions  for  acids  and   bases.     –     Recognize  conjugate  acid-­‐base  pairs.    

•     Recognize  hydronium  ion,  H3O +  =  H+  +  H2O  

 

•     Know  the  strong  acids:  HCl,  HBr,  HI,  HNO3,  HClO3,   HClO4,  H2SO4.    

•     Know  the  common  strong  bases:  LiOH,  NaOH,   KOH,  Ca(OH)2,  Sr(OH)2,  Ba(OH)2.    

•     Recognize  strong  acids  and  strong  bases  dissociate   or  ionize  (break  up)  completely.     →  Equilibrium  lies  far  to  the  right.    

    HNO3(aq)    +      H2O(l)      →      H3O +(aq)    +    NO3

-­‐(aq)    

    Ca(OH)2(aq)    →      Ca +2(aq)    +    2  OH-­‐(aq)  

 

  and  for  H2SO4:       H2SO4(aq)  +      H2O(l)        →      H3O

+(aq)    +    HSO4 −(aq)  

    •     Recognize  weak  acids  dissociate  or  ionize  (break   up)  only  to  a  small  degree.     →  Equilibrium  lies  far  to  the  left.           HF(aq)    +      H2O(l)                H3O

+(aq)    +    F-­‐(aq)      

•     Write  balanced  equations  and  equilibrium   expressions  for  the  dissociation  of  any  acid.   – Omit  pure  liquids  and  solids.    

             HA(aq)    +      H2O(l)            H3O +(aq)    +    A−(aq)  

 

               Ka = [H

3 O+]*[A,]

[HA]  

  •     Recognize  the  strength  of  an  acid  is  inversely   related  to  the  strength  of  its  conjugate  base.     →  Strong  acids  have  conjugate  bases  that  are   weaker  than  H2O.     →  Weak  acids  have  conjugate  bases  that  are   stronger  than  H2O.       →  Be  able  to  write  the  net  ionic  equation  for   the  conjugate  base  reacting  with  H2O  to  form  the   conjugate  acid  and  OH−.     •     Know  Lewis  definitions  for  acids  and  bases.     –     Be  able  to  identify  the  Lewis  acid  or  base  in  a   given  reaction.       – Know  why  nitrogen-­‐containing  compounds  are   generally  Lewis  bases.   – Know  highly  charged  cations  (Al3+,  Cu2+,  etc.)  can   act  as  Lewis  acids  and  why.     •     Recognize  how  structure,  bond  strength,  and  

bond  polarity  influence  the  properties  of  an  acid.       –     Be  able  to  explain:       –     Why  HF  is  weak  while  HCl,  HBr,  HI  are  strong         –     Why  CH4  does  not  display  acidic  properties       –     The  ranking  of  ternary  oxyacids  (e.g.  HClO3  

vs  HClO2  vs  HBrO2,  etc.)  in  terms  of  strength         –     Ka  values  for  different  acids,  including           ternary  oxyacids,  based  on  structure  

CHEM  162  Exam  1  Review  –  Winter2015     page  3  of  4  

Chapter  16:  Acids  And  Bases  (Continued)     •     Water  is  amphoteric;  it  can  act  as  an  acid  or  a  base.    

•     Autoionization  of  water:        

2  H2O(l)            H3O +(aq)      +    OH−(aq)  

 

Kw  =  [H3O +][OH–]=1.0x10–14  

 

  Kw  =  water’s  ion-­‐product  or  dissociation  constant     –     When  [H3O

+]  =  [OH–],  the  solution  is  neutral.   –     When  [H3O

+]  >  [OH–],  the  solution  is  acidic.   –     When  [H3O

+]  <  [OH–],  the  solution  is  basic.   –     Be  able  to  solve  for  [H3O

+]  or  [OH–]  given  the  other   then  classify  the  substance  as  acidic,  basic,  neutral.     pH  scale:    pH  =  7:  neutral      and      pH  <  7:  acidic   and      pH  >  7:  basic  (or  alkaline)     [H3O

+]  =  10−pH                      [OH-­‐]  =  10−pOH     pH  =  −log  [H3O

+]          pOH  =  −log  [OH−]     pH  +  pOH  =  14.00         Know  #  of  sig  figs  in  [H3O

+]  or  [OH−]  determines  the  #   of  decimal  places  in  pH  and  pOH  and  vice  versa.     Calculate  pH  of  Strong  Acids  and  Strong  Bases   –     Strong  acids  and  bases  ionize  completely.   –     Accounting  for  all  the  H3O

+  and  OH–  ions,     →  [H3O

+]  =  original  molarity  of  strong  acid       →  [OH–]  =  molarity  of  base  ×  (#  of  OH–  in  base)     pH  Calculations  for  Weak  Acids     –     Weak  acids  remain  mostly  undissociated.   –     Write  the  equation  for  the  dissociation  of  an  acid.   –     Set  up  ICE  table  with  [HA]  given  or  calculated.   –     Calculate  pH  of  weak  acid  solution.   –     Use  percent  ionization  of  solution  to  get  Ka.   –     Use  the  approximation  that        

    [HX]  –  x  ≈  [HX]            for       [HA] x

<5%  

–     Use  quadratic  method  or  the  method  of  successive  

approximations  for:   [HA] x

≥5%  

  Percent  ionization  =   [H3O

+]&at&equilibrium

&[HA] ×100%  

  Convert  Ka  and  Kb:      Kw  =  Ka  ·∙  Kb  =  1.0×10

–14     pH  Calculations  for  Weak  Bases     –     Write  equation  for  reaction  of  base  with  H2O.   –     Write  equilibrium  expression  for  the  weak  base.   – The  weaker  the  base,  smaller  the  Kb.   –     Set  up  ICE  table  with  [A–]  given  or  calculated.   –     Solve  for  x  to  calculate  [OH–]  and  pOH  of  weak       base  solution.     Acid-­‐Base  Properties  of  Salts   –     salt  =  ionic  compound   –     Soluble  salts  dissociate  into  ions  in  water.   –     Classify  a  given  salt  as  acidic,  basic,  neutral.       Ions  that  produce  acidic  solutions     –     NH4

+     –     Highly  charged  metal  ions:  Al3+,  Zn2+,  etc.,       except  cations  of  strong  bases       Ions  that  produce  basic  solutions     –     anions  that  are  conjugate  bases  of  weak  acids  

o all  anions  except  anions  of  strong  acids   – Note:    SO4

2-­‐  +  H2O    ↔    HSO4 −  +  OH−  

    Ions  that  produce  neutral  solutions     –     do  not  react  with  H2O  to  make  H

+  or  OH−     Salts  with  an  acidic  cation  and  basic  anion   –     Classify  a  given  salt  as  acidic,  basic,  neutral.   –     If  Ka>Kb,  salt  is  acidic.   –     If  Kb>Ka,  salt  is  basic.   –     Account  for  different  ion  concentrations  by   multiplying  initial  concentration  with  Ka  or  Kb.       pH  Calculations  for  Weak  Bases     –     Write  equation  for  reaction  of  base  with  H2O.   –     Write  equilibrium  expression  for  the  weak     base.   – The  weaker  the  base,  smaller  the  Kb.   –     Set  up  ICE  table  with  [A–]  given  or  calculated.   –     Solve  for  x  to  calculate  [OH–]  and  pOH  of  a  weak       base  solution.    

CHEM  162  Exam  1  Review  –  Winter2015     page  4  of  4  

Chapter  17:  Acids  And  Bases  (Continued)     Polyprotic  Acids     –     Write  the  stepwise  dissociation  of  any       polyprotic  acid.   –     Recognize  the  [H+]  is  determined  only  by  1st       dissociation  step  for  most  polyprotic  acids.   –     Solve  for  pH  and  equilibrium  ion  concentrations.            

The  Common  Ion  Effect   –     The  shift  in  equilibrium  caused  by  the  addition  of  a   salt  with  an  ion  in  common  with  the  dissolved   substances   –     Given  a  compound  added  to  an  acid  or  base  at   equilibrium,  predict  equilibrium  shifts  (to  the  left  or   right),  if  [H+]   ↑  or  ↓,  if  [OH–]   ↑  or  ↓,  and  if  pH  ↑  or  ↓,     –     Calculate  the  pH  of  an  acid  or  base  solution  when  a   common  ion  is  added.

    Be  prepared  to  solve  problems  combining  concepts  from  Chapters  15  and  16,  as  well  as  

other  concepts  and  calculations  from  CHEM  161  (e.g.  Gas  Laws).    

You  will  be  given  a  Periodic  Table  with  atomic  numbers,  atomic  masses,   Solubility  Rules,  the  Activity  Series,  and  constants  and  conversions.