مواضيع المحاضرة: States of Matter Elements, Compounds, and Mixtures Atomic mass Molar mass and Molecular mass Mole Molar Concentration Gases Volume Temperature Pressure Atmospheric Pressure Manometer Empirical Gas Law Bovle's Law: Relating Volume and Pressure Charles's La
background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

States of Matter 

Classifications of Matter 

Matter is anything  that occupies space  and  has  mass,  and  chemistry  is the 

study  of  matter  and  the  changes  it  undergoes.  There  are  two  principal  ways  of 

classifying  matter:  by  its  physical  state  as  a  solid,  liquid,  or  gas  and  by  its 

chemical constitution as an elementcompound, or mixture

 

Solids, Liquids, and Gases 

Commonly,  a  given  kind  of  matter  exists  in  different  physical  forms  under 

different conditions. Water, for example, exists as ice (solid water), as liquid water, 

and as steam (gaseous water). The main identifying characteristic of solids is their 

rigidity:  they  tend  to  maintain  their  shapes  when  subjected  to  outside  forces. 

Liquids  and  gases,  however,  are  fluids;  that  is,  they  flow  easily  and  change  their 

shapes in response to slight outside forces. 

What distinguishes a gas from a liquid is the characteristic of compressibility 

(and its opposite,  expansibility). A gas is easily  compressible, whereas  a  liquid  is 

not.  These  two  characteristics,  rigidity  (or  fluidity)  and  compressibility  (or 

expansibility),  can  be  used  to  frame  definitions  of  the  three  common  states  of 

matter: 

  Solid  the  form  of  matter  characterized  by  rigidity;  a  solid  is  relatively 

incompressible and has fixed shape and volume. 

  Liquid the form of matter that is a relatively incompressible fluid;  a liquid 

has a fixed volume but no fixed shape. 

  Gas the form of matter that is an easily compressible fluid; a given quantity 

of gas will fit into a container of almost any size and shape. 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

Elements, Compounds, and Mixtures 

To understand how matter is classified by its chemical constitution, we must 

first distinguish between physical and chemical changes and between physical and 

chemical properties. A physical change is a change in the form of matter but not 

in  its  chemical  identity.  Changes  of  physical  state  are  examples  of  physical 

changes. The process of dissolving one material in another is a further example of 

a  physical  change.  For  instance,  sodium  chloride  (table  salt)  dissolves  in  water. 

The result is a clear liquid, like pure water, though many of its other characteristics 

are different from those of pure water. The water and sodium chloride in this liquid 

retain their chemical identities and can be separated by some method that depends 

on  physical  changes.  Distillation  is  one  way  to  separate  the  sodium  chloride  and 

water components of this liquid. 

A  chemical  change,  or  chemical  reaction,  is  a  change  in  which  one  or 

more  kinds  of  matter  are  transformed  into  a  new  kind  of  matter  or  several  new 

kinds  of  matter.  The  rusting  of  iron,  during  which  iron  combines  with  oxygen  in 

the  air  to  form  a  new  material  called  rust,  is  a  chemical  change.  The  original 

materials  (iron  and  oxygen)  combine  chemically  and  cannot  be  separated  by  any 

physical  means.  To  recover  the  iron  and  oxygen  from  rust  requires  a  chemical 

change or a series of chemical changes. 

A material can be characterized or identified by its various properties, which 

may  be  either  physical  or  chemical.  A  physical  property  is  a  characteristic  that 

can  be  observed  for  a  material  without  changing  its  chemical  identity.  Examples 

are  physical  state  (solid,  liquid,  or  gas),  melting  point,  and  color.  A  chemical 

property  is  a  characteristic  of  a  material  involving  its  chemical  change.  

chemical property of iron is its ability to react with oxygen to produce rust.  


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

The  various  materials  around  us  are  either  substances  or  mixtures  of 

substances.  A  substance  is  a  kind  of  matter  that  cannot  be  separated  into  other 

kinds of matter by any physical process. For example, it is possible to separate the 

sodium chloride from the water by the physical process of distillation, but sodium 

chloride  is  itself  a  substance  and  cannot  be  separated  by  physical  processes  into 

new  materials.  Similarly,  pure  water  is  a  substance.  A  substance  always  has  the 

same characteristic properties. 

A  substance  can  be  either  an  element  or  a  compound.  An  element  is  

substance  that  cannot  be  separated  into  simpler  substances  by  chemical  means. 

Today 116 elements are known. Most substances are compounds. A compound is 

a  substance  composed  of  two  or  more  elements  chemically  combined.  Hydrogen 

gas, for example, burns in oxygen gas to form water, a compound whose properties 

are  distinctly  different  from  those  of  the  starting  materials.  Water  is  made  up  of 

two parts of hydrogen and one part of oxygen. This composition does not change. 

Most of the materials around us are mixtures. A  mixture is a material that 

can  be  separated  by  physical  means  into  two  or  more  substances.  Mixtures  are 

classified  into  two  types.  A  heterogeneous  mixture  is  a  mixture  that  consists  of 

physically distinct parts, each with different properties.  homogeneous mixture 

(also known as a solution) is a mixture that is uniform in its properties throughout 

given  samples.  Any  mixture,  whether  homogeneous  or  heterogeneous,  can  be 

created  and  then  separated  by  physical  means  into  pure  components  without 

changing  the  identities  of  the  components.  Thus,  sugar  can  be  recovered  from  a 

water  solution  by  heating  the  solution  and  evaporating  it  to  dryness.  Condensing 

the water vapor will give us back the water component. To separate the iron-sand 

mixture,  we  can  use  a  magnet  to  remove  the  iron  filings  from  the  sand,  because 

sand is not attracted to the magnet. After separation, the components of the mixture 

will have the same composition and properties as they did to start with. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

The  relationships  among  elements,  compounds,  and  other  categories  of 

matter  are  summarized  in  the  Figure  below.  Materials  are  either  substances  or 

mixtures.  Substances  can  be  mixed  by  physical  processes,  and  other  physical 

processes  can  be  used  to  separate  the  mixtures  into  substances.  Substances  are 

either  elements  or  compounds.  Elements  may  react  chemically  to  yield 

compounds,  and  compounds  may  be  decomposed  by  chemical  reactions  into 

elements.  

 

 

All  measurable  properties  of  matter  fall  into  two  categories:  extensive 

properties  and  intensive  properties.  The  measured  value  of  an  extensive  property 

depends  on  how  much  matter  is  being  considered.  Mass,  length,  and  volume  are 

extensive properties. More matter means more mass. Values of the same extensive 

property can be added together. For example, two copper pennies have a combined 

mass that is the sum of the masses of each penny, and the total volume occupied by 

the  water  in  two  beakers  is  the  sum  of  the  volumes  of  the  water  in  each  of  the 

beakers. 

Classification of matter

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

The measured value of an intensive property does not depend on the amount 

of matter being considered. Temperature is an intensive property. Suppose that we 

have two beakers of water at the same temperature. If we combine them to make a 

single quantity of water in a larger beaker, the temperature of the larger amount of 

water will be the same as it was in two separate beakers. Unlike mass and volume, 

temperature and other intensive properties such as melting point, boiling point, and 

density are not additive. 

 

Atomic mass 

The atomic mass or atomic mass unit (amu) of an element is the average 

atomic  mass  for  the  naturally  occurring  element,  expressed  in  atomic  mass  units 

(atomic mass is sometimes referred to as atomic weight). 

 

Molar mass and Molecular mass 

The  molar  mass  of  a  substance  is  the  mass  of  one  mole  of  the  substance. 

The molecular mass (MM) of a substance is  the sum of the atomic masses of all 

the  atoms  in  a  molecule  of  the  substance.  For  all  substances,  the  molar  mass  in 

grams  per  mole  is numerically  equal  to the  molecular  mass  in atomic  mass units. 

Ethanol, for example, whose molecular formula is C

2

H

6

O has a molecular mass of 

46.1 amu and a molar mass of 46.1 g/mol. 

 

Mole

  

 

 [

        

          

     

 

    

 

A  mole  (symbol  mol)  is  defined  as  the  quantity  of  a  given  substance  that 

contains as many molecules or formula units as the number of atoms in exactly 12 

g  of  carbon-12.  One  mole  of  ethanol,  for  example,  contains  the  same  number  of 

ethanol molecules as there are carbon atoms in 12 g of carbon-12. The number of 

atoms in a 12-g sample of carbon-12 is called Avogadro’s number  (symbol N

A

(this number give the value 6.02 x10

23

).  


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

A  mole  of  a  substance  contains  Avogadro’s  number  (6.02  x  10

23

)  of 

molecules. When using the term mole, it is important to specify the formula of the 

unit  to  avoid  any  misunderstanding.  For  example,  a  mole  of  oxygen  atoms  (with 

the  formula  O)  contains        6.02  x10

23

  O  atoms.  A  mole  of  oxygen  molecules 

(formula O

2

) contains 6.02 x10

23

 O

2

 molecules—that is, 2 x (6.02 x 10

23

) O atoms. 

 

Molar Concentration 

When  we  dissolve  a substance in  a liquid,  we  call  the substance  the  solute 

and the liquid the solvent. The general term concentration refers to the quantity of 

solute in a standard quantity of solution. Molar concentration, or molarity (M), is 

defined as the moles of solute dissolved in one liter (cubic decimeter) of solution. 

                

              

                  

 

 

Example: A sample of NaNO

3

 weighing 0.38 g is placed in a 50.0 mL volumetric 

flask.  The  flask  is  then  filled  with  water  to  the  mark  on  the  neck, 

dissolving the solid. What is the molarity of the resulting solution? 

 

 

 

Qualitatively, we say that a solution is dilute when the solute concentration 

is  low  and  concentrated  when  the  solute  concentration  is  high.  Usually  these 

terms are used in a comparative sense and do not refer to a specific concentration. 

We  say  that  one  solution  is  more  dilute,  or  less  concentrated,  than  another.  The 

relationship  between  the  molarity  of  the  solution  before  dilution  (the  initial 

molarity) and that after dilution (the final molarity) is: 

M

i

  x  V

i

 M

f   

x  V

f

 

where  M

i

  for the  initial  molar  concentration,  V

i

  for the initial volume  of  solution, 

M

f

 (the final molar concentration) and V

f

 (the final volume). 

 

Example: You are given a solution of 14.8 M NH

3

. How many milliliters of this 

solution do you require to give 100.0 mL of 1.00 M NH

3

 when diluted. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

GASES 

Particles  in  a  gas  are  far  apart,  fast-moving,  and  are  not  organized  in  any 

particular way. Unlike the particles in solids and liquids, the atoms and molecules 

in gases are not particularly attracted to each other. 

In  gases,  the  intermolecular  forces  that  hold  molecules  together  in  liquids 

and some solids are still present, but gas molecules overcome these intermolecular 

forces  with speed. Individual gas  molecules  are  always  on the move;  they  have a 

lot of energy that keeps them moving constantly. 

As  a  result,  within  a  gas,  the  atoms  or  molecules  pass  each  other  regularly 

and interact only for a brief moment of time. This short bit of time is not enough 

for intermolecular forces to take hold and act. As a result, the atoms and molecules 

in a gas continue on their own way. 

This  lack  of  force  holding  atoms  or  molecules  together  is  what  determines 

the most unique properties of gases. A gas will expand in all directions to fill any 

space, and will spread to take on the shape of its container. But it is not the same as 

a liquid. There are no other forces, with the exception of gravity, to hold a gas in 

place. 

In  this  state  of  matter,  it’s  not  so  much  the  forces  acting  between  atoms  or 

molecules that are important. Instead, three other factors determine the movements 

of atoms or molecules in a gas: temperaturepressure, and volume. Chemists relate 

these three factors in a series of gas laws. 

 

Volume 

Volume  is  length  (m)  cubed,  so  its  SI-derived unit is the  cubic  meter  (m

3

). 

Generally, however, chemists work with much smaller volumes, such as the  cubic 

centimeter (cm

3

) and the cubic decimeter (dm

3

): 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

1 cm

3

 = 1 x10

-6

 m

3

 

1 dm

3

 = 1 x10

-3

 m

3

 

Another common, non-SI unit of volume is the liter (L). A liter is the volume 

occupied  by  one  cubic  decimeter.  Chemists  generally  use  L  and  mL  for  liquid 

volume. One liter is equal to 1000 milliliters (mL) or 1000 cubic centimeters: 

1 L = 1000 mL 

1 L = 1000 cm

3

 

1 L = 1 dm

3

 

and one milliliter is equal to one cubic centimeter: 

1 mL = 1 cm

 

Temperature

 

Temperature  is  not  just  about  how  hot  or  cold  something  feels. 

Temperature  is  actually  a  measurement  of  the  average  kinetic  energy  in  a 

material. Kinetic energy refers to the energy of motion. Particles within matter are 

always  in  motion.  The  faster  the  particles  within  a  sample  of  matter  move,  the 

higher its kinetic energy, or temperature. 

The slower the particles move, the lower its kinetic energy, or temperature. 

Gases at warm temperatures have fast-moving particles. 

 

Pressure

 

Pressure is one of the most readily measurable properties of a gas. It may be 

expressed in many different units. To understand how we measure the pressure of a 

gas, it is helpful to know how the units of measurement are derived. 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

 

SI Units of Pressure 

We begin with velocity and acceleration. Velocity is defined as the change in 

distance with elapsed time; that is, 

 

The SI unit for velocity is m/s, although we also use cm/s

Acceleration is the change in velocity with time, or 

 

Acceleration is measured in m/s

2

 (or cm/s

2

). 

The  second  law  of  motion,  formulated  by  Sir  Isaac  Newton  in  the  late 

seventeenth  century,  defines  another  term,  from  which  the  units  of  pressure  are 

derived, namely, force. According to this law, 

 

In this context, the SI unit of force is the newton (N), where 

 

Finally,  we  define  pressure  as  force  applied  per  unit  area  ˗  pounds  per 

square inch (lb/in.

2

), commonly known as psi

 

The SI unit of pressure is the pascal (Pa), defined as one newton per square 

meter: 

 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

10 

 

Atmospheric Pressure 

The  atoms  and  molecules  of  the  gases  in  the  atmosphere,  like  those  of  all 

other  matter,  are  subject  to  Earth’s  gravitational  pull.  As  a  consequence,  the 

atmosphere is much denser near the surface of Earth than at high altitudes. In fact, 

the density of air decreases very rapidly with increasing distance from Earth. Not 

surprisingly,  the  denser  the  air  is,  the  greater  the  pressure  it  exerts.  The  force 

experienced by any area exposed to Earth’s atmosphere is equal to the weight of 

the column of air above it. Atmospheric pressure is the pressure exerted by Earth’s 

atmosphere.  The  actual  value  of  atmospheric  pressure  depends  on  location, 

temperature, and weather conditions. 

Does  atmospheric pressure only  act downward, as  you  might infer  from  its 

definition? Imagine what would happen, then, if you were to hold a piece of paper 

tight with both hands above your head. You might expect the paper to bend due to 

the pressure of air acting on it, but this does not happen. The reason is that air, like 

water,  is  a  fluid.  The  pressure  exerted  on  an  object  in  a  fluid  comes  from  all 

directions—downward and upward, as well as from the left and from the right. At 

the molecular level, air pressure results from collisions between the air molecules 

and  any  surface  with  which  they  come  in  contact.  The  magnitude  of  pressure 

depends on how often and how strongly the molecules impact the surface. It turns 

out that there are just as many molecules hitting the paper from the top as there are 

from underneath, so the paper stays flat. 

How is atmospheric pressure measured? The barometer is probably the most 

familiar  instrument  for  measuring  atmospheric  pressure.  A  simple  barometer 

consists of a long glass tube, closed at one end and filled with mercury. If the tube 

is  carefully  inverted  in  a  dish  of  mercury  so  that  no  air  enters  the  tube,  some 

mercury will flow out of the tube into the dish, creating a vacuum at the top. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

11 

 

 

The  weight  of  the  mercury  remaining  in  the  tube  is  supported  by 

atmospheric  pressure  acting  on  the  surface  of  the  mercury  in  the  dish.  Standard 

atmospheric  pressure  (1  atm)  is  equal  to  the  pressure  that  supports  a  column  of 

mercury exactly 760 mm (or 76 cm) high at   0 

o

C at sea level. In other words, the 

standard atmosphere equals a pressure of 760 mmHg, where mmHg represents the 

pressure exerted by a column of mercury 1 mm high. The mmHg unit is also called 

the  torr,  after  the  Italian  scientist  Evangelista  Torricelli,  who  invented  the 

barometer. Thus, 

 

and 

 

The relation between atmospheres and pascals is: 

 

and because 1000 Pa = 1 kPa (kilopascal) 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

12 

 

Example:  The  pressure  outside  a  jet  plane  flying  at  high  altitude  falls  considerably  below 

standard  atmospheric  pressure.  Therefore,  the  air  inside  the  cabin  must  be 
pressurized  to  protect  the  passengers.  What  is  the  pressure  in  atmospheres  in  the 
cabin if the barometer reading is 688 mmHg?
 

 

Manometer 

manometer  is  a device  used  to  measure  the pressure  of gases  other  than 

the  atmosphere. The principle of  operation  of  a  manometer  is similar  to  that of  a 
barometer.  There  are  two  types  of  manometers  as  shown  in  Figure  below.  The 
closed-tube  manometer  is normally  used to  measure pressures below atmospheric 
pressure  [Figure  (a)],  whereas  the  open-tube  manometer  is  better  suited  for 
measuring pressures equal to or greater than atmospheric pressure [Figure (b)]. 

 

Nearly  all  barometers  and  most  manometers  use  mercury  as  the  working 

fluid, despite the fact that it is a toxic substance with a harmful vapor. The reason 
is  that  mercury  has  a  very  high  density  (13.6  g/mL)  compared  with  most  other 
liquids. Because the height of the liquid in a column is inversely proportional to the 
liquid’s  density,  this  property  enables  the  construction  of  manageably  small 
barometers and manometers. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

13 

 

Empirical Gas Laws 

All  gases  under  moderate  conditions  behave  quite  simply  with  respect  to 

pressure,  temperature,  volume,  and  molar  amount.  By  holding  any  two  of  these 

physical  properties  constant,  it  is  possible  to  show  a  simple  relationship  between 

the  other  two.  Throughout  history  there  have  been  multiple  versions  of  gas  laws 

developed and named after many different people.  Boyle’s Law (1662), Charles’s 

Law (1802), and Avogadro’s Law (1811) are a few examples. 

 

Boyle’s Law: Relating Volume and Pressure 

One  characteristic  property  of  a  gas  is  its  compressibility—its  ability  to  be 

squeezed  into  a  smaller  volume  by  the  application  of  pressure.  By  comparison, 

liquids and solids are relatively incompressible. The compressibility of gases was 

first studied quantitatively by Robert Boyle in 1661. When he poured mercury into 

the  open  end  of  a  J-shaped  tube,  the  volume  of  the  enclosed  gas  decreased  (see 

Figure  below).  Each  addition  of  mercury  increased  the  pressure  on  the  gas, 

decreasing its volume. From such experiments, he formulated the law now known 

by his name. According to Boyle’s law, the volume of a sample of gas at a given 

temperature varies inversely with the applied pressure

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

14 

 

    

P

1

  , meaning "Volume is directly proportional to 1 divided by Pressure", or 

    

V

1

 , meaning "Pressure is directly proportional to 1 divided by Volume" 

Another way to describing it is saying that their products are constant.  
PV = k  

When pressure goes up, volume goes down. When volume goes up, pressure 

goes down. 

   

 

 

Model of gas pressure–volume relationship at a constant temperature: 

(A) When a 1.000-g sample of O

2

 gas at 0 

o

C is placed in a container at a pressure 

of 0.50 atm, it occupies a volume of 1.40 L.  

(B)  When  the  pressure  on  the  O

2

  sample  is  doubled  to  1.0  atm,  the  volume  is 

reduced to 0.70 L, which is half the original volume. 

By plotting the volume of the oxygen at different pressures, you obtain a graph 

showing the inverse relationship of P and V

 

Gas pressure–volume relationship:

 

 

(A) Plot of volume vs. pressure for a sample 

of oxygen. The volume (of 1.000 g O

2

 at 

o

C) 

decreases 

with 

increasing 

pressure.  When  the  pressure  is  doubled 
(from 0.50 atm to 1.00 atm), the volume 
is halved (from 1.40 L to 0.70 L).  

 

(B)  Plot  of  1/V  vs.  pressure  (at  constant 

temperature)  for  the  same  sample. 
The straight line indicates that volume 
varies inversely with pressure. 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

15 

 

From the equation above, this can be derived:  

P

1

V

1

 = P

2

V

2

 = P

3

V

3

 etc. 

This  equation  states  that  the  product  of  the  initial  volume  and  pressure  is 

equal  to  the  product  of  the  volume  and  pressure  after  a  change  in  one  of  them 

under  constant  temperature.   For  example,  if  the  initial  volume  was  500  mL  at  a 

pressure  of  760  torr,  when  the  volume  is  compressed  to  450  mL,  what  is  the 

pressure? 

Solution:  

P

1

V

1

 = P

2

V

2

  

(760 torr)(500 mL) = P

(450 mL) 

760 torr x 500 mL/450 mL = P

2

 844 torr  

P

2

 = 844 torr. 

  A volume of air occupying 12.0 dm3 at 98.9 kPa is compressed to a pressure of 

119.0 kPa. The temperature remains constant. What is the new volume? 

  A  volume of carbon dioxide  gas,  CO

2

,  equal  to  20.0  L  was  collected  at  23 

o

and 1.00 atm pressure. What would be the volume of carbon dioxide collected 

at 23 

o

C and 0.830 atm? 

In fact, all gases follow Boyle’s law at low to moderate pressures but deviate 

from this law at high pressures. The extent of deviation depends on the gas. 

 

 

Charles’s Law: Relating Volume and Temperature 

Boyle’s law depends on the temperature of the system remaining constant. 

But suppose the temperature changes: How does a change in temperature affect the 

volume and pressure of a gas? Let’s first look at the effect of temperature on the 

volume  of  a  gas.  The  earliest  investigators  of  this  relationship  were  French 

scientists, Jacques Charles. His study showed that, at constant pressure, the volume 

of a gas sample expands when heated and contracts when cooled: 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

16 

 

 

The  quantitative  relations  involved  in  changes  in  gas  temperature  and 

volume  turn  out  to  be  remarkably  consistent.  For  example,  we  observe  an 

interesting  phenomenon  when  we  study  the  temperature-volume  relationship  at 

various  pressures.  At  any  given  pressure,  the  plot  of  volume  versus  temperature 

yields a straight line. By extending the line to zero volume, we find the intercept on 

the temperature axis to be ‒273.15 

o

C. At any other pressure, we obtain a different 

straight  line  for  the  volume-temperature  plot,  but  we  get  the  same  zero-volume 

temperature intercept at ‒273.15 

o

C  (see  Figure below).  This  seems  to  say  that if 

the  substances  remain gaseous, the volumes occupied  will be  zero  at  ‒273.15 

o

C. 

This  could  not  happen,  however;  all  gases  liquefy  before  they  reach  this 

temperature, and Charles’s law does not apply to liquids. These extrapolations do 

show  that  we  can  express  the  volume  variation  of  a  gas  with  temperature  more 

simply by choosing a different thermometer scale. 

 

Variation  of  the  volume  of  a  gas  sample 
with  temperature,  at  constant  pressure. 
The pressure exerted on the gas is the sum 
of  the  atmospheric  pressure  and  the 
pressure due to the weight of the mercury.

 

Variation  of  the  volume  of  a  gas  sample 
with  temperature,  at  constant  pressure. 
Each  line  represents  the  variation  at  a 
certain  pressure.  The  pressures  increase 
from  P

1

  to  P

4

.  All  gases  ultimately 

condense  (become  liquids)  if  they  are 
cooled  to  sufficiently  low  temperatures; 
the solid portions of the lines represent the 
temperature 

region 

above 

the 

condensation  point.  When  these  lines  are 
extrapolated,  or  extended  (the  dashed 
portions),  they  all  intersect  at  the  point 
representing 

zero 

volume 

and 

temperature of 273.15 

o

C. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

17 

 

In  1848  the  Scottish  physicist  Lord  Kelvin  realized  the  significance  of  this 

phenomenon.  He  identified  ‒273.15 

o

C  as  absolute  zero,  theoretically  the  lowest 

attainable  temperature. Then he set  up  an  absolute  temperature  scale, now  called 

the  Kelvin  temperature  scale,  with  absolute  zero  as  the  starting  point.  On  the 

Kelvin scale, one kelvin (K) is equal in magnitude to one degree Celsius. The only 

difference between the absolute temperature scale and the Celsius scale is that the 

zero position is shifted. Important points on the two scales match up as follows: 

 

In most calculations we will use 273 instead of 273.15 as the term relating K 

and 

o

C. 

The dependence of the volume of a gas on temperature is given by: 

 

where  k

2

  is  the  proportionality  constant.  Equation  above  is  known  as 

Charles’s law, which states that the volume of a fixed amount of gas maintained at 

constant  pressure  is  directly  proportional  to  the  absolute  temperature  of  the  gas

For  pressure-volume  relationships  at  constant  temperature,  we  can  compare  two 

sets  of  volume-temperature  conditions  for  a  given  sample  of  gas  at  constant 

pressure. 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

18 

 

where  V

1

  and  V

2

  are  the  volumes  of  the  gas  at  temperatures  T

1 

and  T

2

  (both  in 

kelvins),  respectively.  As  the  volume  goes  up,  the  temperature  also  goes  up,  and 

vice-versa. Also same as before, initial and final volumes and temperatures under 

constant pressure can be calculated.  

V

1

 / T

1

 = V

2

 / T

2

 = V

3

 / T

3

 etc. 

 

Gay-Lussac's Law:  The Pressure Temperature Law 

This  law  states  that  the  pressure  of  a  given  amount  of  gas  held  at  constant 

volume is directly proportional to the Kelvin temperature. 

         

Same as before, a constant can be put in:  

P / T = k  

As the pressure goes up, the temperature also goes up, and vice-versa. Also same 

as  before,  initial  and  final  volumes  and  temperatures  under  constant  pressure  can 

be calculated.  

P

1

 / T

1

 = P

2

 / T

2

 = P

3

 / T

3

 etc.  

 

Avogadro's Law:  The Volume Amount Law 

The  work  of  the  Italian  scientist  Amedeo  Avogadro  complemented  the 

studies  of  Boyle,  Charles,  and  Gay-Lussac.  In  1811  he  published  a  hypothesis 

stating that at the same temperature and pressure, equal volumes of different gases 

contain  the  same  number  of  molecules  (or  atoms  if  the  gas  is  monatomic).  It 

follows  that  the  volume  of  any  given  gas  must  be  proportional  to  the  number  of 

moles of molecules present; that is: 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

19 

 

where represents the number of moles and k

4

 is the proportionality constant. This 

equation  is  the  mathematical  expression  of  Avogadro’s  law,  which  states  that  at 

constant pressure and temperature, the volume of a gas is directly proportional to 

thenumber of moles of the gas present.  

According to Avogadro’s law we see that when two gases react with each 

other, their reacting volumes have a simple ratio to each other. If the product is a 

gas,  its  volume  is  related  to  the  volume  of  the  reactants  by  a  simple  ratio.  For 

example,  consider  the  synthesis  of  ammonia  from  molecular  hydrogen  and 

molecular nitrogen: 

 

Because,  at  the  same  temperature  and  pressure,  the  volumes  of  gases  are 

directly  proportional  to  the  number  of  moles  of  the  gases  present,  we  can  now 

write: 

 

The  volume  ratio  of  molecular  hydrogen  to  molecular  nitrogen  is  3:1,  and 

that  of  ammonia  (the  product)  to  molecular  hydrogen  and  molecular  nitrogen 

combined (the reactants) is 2:4, or 1:2 (see Figure below). 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

20 

 

 

Schematic illustrations of Boyle’s law, Charles’s law, and Avogadro’s law.

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

21 

 

The Ideal Gas Law 

The gas laws that have been discussed so far, can be summarized: 

 

All three expressions can combine to form a single master equation for the 

behavior of gases: 

 

where  R,  the  proportionality  constant,  is  called  the  gas  constant.  This  equation, 

which is called the  ideal gas equation,  describes the relationship among the four 

variables  P,  V,  T,  and  n.  An  ideal  gas  is  a  hypothetical  gas  whose  pressure-

volume-temperature  behavior  can  be  completely  accounted  for  by  the  ideal  gas 

equation.  The  molecules  of  an  ideal  gas  do  not  attract  or  repel  one  another,  and 

their  volume  is  negligible  compared  with  the  volume  of  the  container.  Although 

there is no such thing in nature as an ideal gas, discrepancies in the behavior of real 

gases  over  reasonable  temperature  and  pressure  ranges  do  not  significantly  affect 

calculations.  Thus,  the  ideal  gas  equation  can  safely  use  to  solve  many  gas 

problems. 

Before the ideal gas equation can apply to a real system, the gas constant  R 

must  evaluated.  At  

o

C  (273.15  K) and 1 atm  pressure, many  real  gases behave 

like an ideal gas. Experiments show that under these conditions, 1 mole of an ideal 

gas  occupies  22.414  L.  The  conditions  0 

o

C  and  1  atm  are  called  standard 

temperature and pressure, often abbreviated STP. From the ideal gas equation, we 

can write: 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

22 

 

 

Example: Sulfur hexafluoride (SF

6

) is a colorless, odorless, very unreactive gas. 

Calculate the pressure (in atm) exerted by 1.82 moles of the gas in a steel 

vessel of volume 5.43 L at 45 

o

C. 

Solution: Because no changes in gas properties occur, the ideal gas equation can 

use to calculate the pressure. Rearranging: 

 

The ideal gas equation is useful for problems that do not involve changes in  PV

T, and n for a gas sample. When conditions change, a modified form of the ideal 

gas  equation  that  takes  into  account  the  initial  and  final  conditions  must  employ. 

The modified equation derives as follows: 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

23 

 

 

Therefore, 

 

If n

1

 = n

2

, as is usually the case because the amount of gas normally does not 

change, the equation then becomes: 

 

Example:  A small  bubble rises from the bottom of a lake, where the temperature 

and  pressure  are  8 

o

C  and  6.4  atm,  to  the  water’s  surface,  where  the 

temperature  is  25 

o

C  and  the  pressure  is  1.0  atm.  Calculate  the  final 

volume (in mL) of the bubble if its initial volume was 2.1 mL. 

Solution: The given information is summarized: 

 

 

The amount of air in the bubble remains constant, that is, n

1

 = n

2

 so that: 

 

Rearranging equation above gives: 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

24 

 

Practice Exercise:  

  What is the volume (in liters) occupied by 49.8 g of HCl at STP? 

  A  gas  initially  at  4.0  L,  1.2  atm,  and  66 

o

C  undergoes  a  change  so  that  its 

final volume and temperature are 1.7 L and 42 

o

C. What is its final pressure? 

Assume the number of moles remains unchanged. 

 

Density and Molar Mass of a Gaseous Substance 

The ideal gas equation can be applied to determine the density or molar mass 

of a gaseous substance. Rearranging this equation gives: 

 

The number of moles of the gas, n, is given by: 

 

in which is the mass of the gas in grams and   is its molar mass. Therefore, 

 

Because density, d, is mass per unit volume, therefore: 

 

The equation above enables to calculate the density of a gas (given in units 

of  grams  per  liter).  More  often,  the  density  of  a  gas  can  be  measured,  so  this 

equation can be rearranged to calculate the molar mass of a gaseous substance: 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

25 

 

In a typical  experiment, a bulb of known volume is filled with the gaseous 

substance  under  study.  The  temperature  and  pressure  of  the  gas  sample  are 

recorded, and the total mass of the bulb plus gas sample is determined (see Figure 

below). The bulb is then evacuated (emptied) and weighed again. The difference in 

mass is the mass of the gas. The density of the gas is equal to its mass divided by 

the  volume  of  the  bulb.  Then  the  molar  mass  of  the  substance  can  be  calculated 

using the last equation. 

 

Example:  A  chemist  has  synthesized  a  greenish-yellow  gaseous  compound  of  chlorine  and 

oxygen  and  finds  that  its  density  is  7.71  g/L  at  36 

o

C  and  2.88  atm.  Calculate  the 

molar mass of the compound and determine its molecular formula. 

Solution: 

 

 

The  molecular  formula  of  the  compound  can  be  determined  by  trial  and 

error,  using  only  the  knowledge  of  the  molar  masses  of  chlorine  (35.45  g)  and 

oxygen  (16.00  g).  A  compound  containing  one  Cl  atom  and  one  O  atom  would 

have  a  molar  mass  of  51.45  g,  which  is  too  low,  while  the  molar  mass  of  a 

compound made up of two Cl atoms and one O atom is 86.90 g, which is too high. 

Thus,  the  compound  must  contain  one  Cl  atom  and  two  O  atoms  and  have  the 

formula ClO

2

, which has a molar mass of 67.45 g. 

Practice  Exercise:  The  density  of  a  gaseous  organic  compound  is  3.38  g/L  at  40 

o

C  and  1.97 

atm. What is its molar mass? 

An  apparatus  for  measuring  the  density  of  a  gas.  A 
bulb of known volume is filled with the gas under study 
at a certain temperature and pressure. First the bulb is 
weighed,  and  then  it  is  emptied  (evacuated)  and 
weighed again. The difference in masses gives the mass 
of  the  gas.  Knowing  the  volume  of  the  bulb,  we  can 
calculate the density of the gas. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

26 

 

Dalton’s Law of Partial Pressures 

The experimental studies very often involve mixtures of gases. For example, 

for  a  study  of  air  pollution,  the  pressure-volume-temperature  relationship  of  a 

sample of air, which contains several gases, may be interested. In this case, and all 

cases  involving  mixtures  of  gases,  the  total  gas  pressure  is  related  to  partial 

pressures,  that  is,  the  pressures  of  individual  gas  components  in  the  mixture.  In 

1801  Dalton  formulated  a  law,  now  known  as  Dalton’s  law  of  partial  pressures, 

which  states  that  the  total  pressure  of  a  mixture  of  gases  is  just  the  sum  of  the 

pressures  that  each  gas  would  exert  if  it  were  present  alone.  Figure  below 

illustrates Dalton’s law. 

 

Consider a case in which two gases, A and B, are in a container of volume V

The pressure exerted by gas A, according to the ideal gas equation, is: 

 

where n

A

 is  the  number of  moles of  A present. Similarly, the pressure  exerted by 

gas B is: 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

27 

 

In  a  mixture  of  gases  A  and  B,  the  total  pressure  P

T

  is  the  result  of  the 

collisions  of  both  types  of  molecules,  A  and  B,  with  the  walls  of  the  container. 

Thus, according to Dalton’s law: 

 

where n, the total number of moles of gases present, is given by  n = n

A

 + n

B

, and 

P

A

 and P

B

 are the partial pressures of gases A and B, respectively. For a mixture of 

gases, then,  P

T

  depends only  on the  total  number of  moles of  gas  present, not on 

the nature of the gas molecules. 

In general, the total pressure of a mixture of gases is given by: 

 

where P

1

P

2

P

3

, . . . are the partial pressures of components 1, 2, 3, . . . . To see 

how each partial pressure is related to the total pressure, consider again the case of 

a mixture of two gases A and B. Dividing P

A

 by P

T

, can obtain: 

 

where  X

A

  is  called  the  mole  fraction  of  A.  The  mole  fraction  is  a  dimensionless 

quantity that expresses the ratio of the number of  moles of one component to the 

number  of  moles  of  all  components  present.  In  general,  the  mole  fraction  of 

component i in a mixture is given by: 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

28 

 

 

where n

i

  and n

are  the number of  moles of  component  i  and the total number  of 

moles present, respectively. The mole fraction is always smaller than 1. The partial 

pressure of A can now express as: 

 

Similarly, 

 

Note that the sum of the mole fractions for a mixture of gases must be unity. 

If only two components are present, then: 

 

If a system contains more than two gases, then the partial pressure of the ith 

component is related to the total pressure by: 

 

How  are  partial  pressures  determined?  A  manometer  can  measure  only  the 

total  pressure  of  a  gaseous  mixture.  To  obtain  the  partial  pressures,  the  mole 

fractions  of  the  components  are  needed  to  know,  which  would  involve  elaborate 

chemical analyses. The most direct method of measuring partial pressures is using 

a  mass  spectrometer.  The  relative  intensities  of  the  peaks  in  a  mass  spectrum  are 

directly proportional to the amounts, and hence to the mole fractions, of the gases 

present. 

Example:  A  mixture  of  gases  contains  4.46  moles  of  neon  (Ne),  0.74  mole  of  argon  (Ar),  and 

2.15  moles  of  xenon  (Xe).  Calculate  the  partial  pressures  of  the  gases  if  the  total 

pressure is 2.00 atm at a certain temperature. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

29 

 

Solution: The partial pressure of Ne (P

Ne

) is equal to the product of its mole fraction (X

Ne

) and 

the total pressure (P

T

): 

 

The mole fraction of Ne can calculate as follows: 

 

Therefore,  

 

Similarly, 

 

and 

 

Check: Make sure that the sum of the partial pressures is equal to the given total pressure; that 

is, (1.21 + 0.20 + 0.586) atm = 2.00 atm. 

 

Practice Exercise: A sample of natural gas contains 8.24 moles of methane (CH

4

), 0.421 mole of 

ethane  (C

2

H

6

),  and  0.116  mole  of  propane  (C

3

H

8

).  If  the  total  pressure  of 

the gases is 1.37 atm, what are the partial pressures of the gases? 

 

 

Dalton’s law of partial pressures is useful for calculating volumes of gases 

collected over water. For example, when potassium chlorate (KClO

3

) is heated, it 

decomposes to KCl and O

2

 

The oxygen gas can be collected over water, as shown in Figure as follows: 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

30 

 

 

Initially, the inverted bottle is completely filled with water. As oxygen gas is 

generated, the gas bubbles rise to the top and displace water from the bottle. This 

method of collecting a gas is based on the assumptions that the gas does not react 

with water and that it is not appreciably soluble in it. These assumptions are valid 

for  oxygen  gas,  but  not  for  gases  such  as  NH

3

,  which  dissolves  readily  in  water. 

The oxygen gas collected in this way is not pure, however, because water vapor is 

also present in the bottle. The total gas pressure is equal to the sum of the pressures 

exerted by the oxygen gas and the water vapor: 

 

Consequently, the pressure caused by the presence of water vapor when the 

amount of O

2

 generated calculates must be allowed. 

 

 

An 

apparatus 

for 

collecting  gas  over  water. 
The  oxygen  generated  by 
heating potassium chlorate 
(KClO

3

) in the presence of 

small 

amount 

of 

manganese 

dioxide 

(MnO

2

),  which  speeds  up 

the  reaction,  is  bubbled 
through 

water 

and 

collected  in  a  bottle  as 
shown.  Water  originally 
present  in  the  bottle  is 
pushed  into  the  trough  by 
the oxygen gas.

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

31 

 

Example:  Oxygen  gas  generated  by  the  decomposition  of  potassium  chlorate  is 

collected  as  shown  in  Figure  above.  The  volume  of  oxygen  collected  at 

24 

o

C and atmospheric pressure of 762 mmHg is 128 mL. Calculate the 

mass (in grams) of oxygen gas obtained. The pressure of the water vapor 

at 24 

o

C is 22.4 mmHg. 

Solution: From Dalton’s law of partial pressures: 

 

Therefore, 

 

From the ideal gas equation: 

 

where and are the mass of O

2

 collected and the molar mass of O

2

, respectively. 

Rearranging: 

 

 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

32 

 

Gas Diffusion and Effusion 

Gas Diffusion 

A  direct  demonstration  of  random  motion  is  provided  by  diffusion,  the 

gradual mixing of molecules of one gas with molecules of another by virtue of their 

kinetic  properties.  Despite  the  fact  that  molecular  speeds  are  very  great,  the 

diffusion  process  takes  a  relatively  long  time  to  complete.  For  example,  when  a 

bottle  of  concentrated  ammonia  solution  is  opened  at  one  end  of  a  lab  bench,  it 

takes  some  time  before  a  person  at  the  other  end  of  the  bench  can  smell  it.  The 

reason is that a molecule experiences numerous collisions while moving from one 

end of the bench to the other. Thus, diffusion of gases always happens gradually, 

and  not  instantly  as  molecular  speeds  seem  to  suggest.  Furthermore,  because  the 

root-mean-square speed of a light gas is greater than that of a heavier gas (refer to 

example  above),  a  lighter  gas  will  diffuse  through  a  certain  space  more  quickly 

than will a heavier gas. 

In  1832  the  Scottish  chemist  Thomas  Graham  found  that  under  the  same 

conditions  of  temperature  and pressure, rates  of diffusion for gases  are  inversely 

proportional to the square roots of their molar masses. This statement, now known 

as Graham’s law of diffusion, is expressed mathematically as:

 

 

where r

and r

2

 are the diffusion  rates of gases  1  and 2, and 

1

  and 

2

  are  their 

molar masses, respectively. 

 

 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

33 

 

Gas Effusion 

Whereas  diffusion  is  a  process  by  which  one  gas  gradually  mixes  with 

another, effusion is the process by  which a gas  under  pressure  escapes from one 

compartment  of  a  container  to  another  by  passing  through  a  small  opening.  The 

effusion of a gas into a vacuum can depict in Figure:  

 

Although effusion differs from diffusion in nature, the rate of effusion of a 

gas has the same form as Graham’s law of diffusion (see the equation above). A 

helium-filled  rubber balloon deflates  faster  than  an  air-filled  one  because  the  rate 

of  effusion  through  the  pores  of  the  rubber  is  faster  for  the  lighter  helium  atoms 

than  for  the  air  molecules.  Industrially,  gas  effusion  is  used  to  separate  uranium 

isotopes  in  the  forms  of  gaseous 

235

UF

6

  and 

238

UF

6

.  By  subjecting  the  gases  to 

many stages of effusion, scientists were able to obtain highly enriched 

235

U isotope, 

which was used in the construction of atomic bombs during World War II. 

 

Example: A flammable gas made up only of carbon and hydrogen is  found to effuse through a 

porous barrier in 1.50 min. Under the same conditions of temperature and pressure, it 

takes an equal volume of bromine vapor 4.73 min to effuse through the same barrier. 

Calculate the molar mass of the unknown gas, and suggest what this gas might be. 

Solution: From the molar mass of Br

2

 

where t

1

 and t

2

 are the times for effusion for gases 1 and 2, respectively. 

 

Gas 

effusion. 

Gas 

molecules move from a 
high-pressure  region 
(left) to a low-pressure 
one through a pinhole.

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

34 

 

where 

M is the molar mass of the unknown gas. Solving for M, can obtain: 

 

Because the molar mass of carbon is 12.01 g and that of hydrogen is 1.008 g, the gas is 

methane (CH

4

). 

Practice Exercise: It takes 192 s for an unknown gas to effuse through a porous wall and    84 s 

for  the  same  volume  of  N

2

  gas  to  effuse  at  the  same  temperature  and 

pressure. What is the molar mass of the unknown gas? 

 

Deviation from Ideal Behavior

 

The gas laws and the kinetic molecular theory assume that molecules in the 

gaseous state do not exert any force, either attractive or repulsive, on one another. 

The  other  assumption  is  that  the  volume  of  the  molecules  is  negligibly  small 

compared  with  that  of  the  container.  A  gas  that  satisfies  these  two  conditions  is 

said to exhibit ideal behavior. 

Although we can assume that real gases behave like an ideal gas, we cannot 

expect  them  to  do  so  under  all  conditions.  For  example,  without  intermolecular 

forces, gases could not condense to form liquids. The important question is: Under 

what conditions will gases most likely exhibit nonideal behavior? 

Figure below shows PV/RT plotted against for three real gases and an ideal 

gas  at  a  given  temperature.  This  graph  provides  a  test  of  ideal  gas  behavior. 

According to the ideal gas equation (for 1 mole of gas), PV/RT equals 1, regardless 

of the actual gas pressure. (When = 1, PV nRT becomes PV RT, or PV/RT = 

1.)  For  real  gases,  this  is  true  only  at  moderately  low  pressures  (≤  5  atm); 

significant deviations occur as pressure increases. Attractive forces operate among 

molecules at relatively short distances. At atmospheric pressure, the molecules in a 

gas  are  far  apart  and  the  attractive  forces  are  negligible.  At  high  pressures,  the 

density  of  the  gas  increases;  the  molecules  are  much  closer  to  one  another. 

Intermolecular  forces  can  then  be  significant  enough  to  affect  the  motion  of  the 

molecules, and the gas will not behave ideally.

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

35 

 

 

Another  way  to  observe  the  nonideal  behavior  of  gases  is  to  lower  the 

temperature. Cooling a gas decreases the molecules’ average kinetic energy, which 

in  a  sense  deprives  molecules  of  the  drive  they  need  to  break  from  their  mutual 

attraction.  

To  study  real  gases  accurately,  then,  we  need  to  modify  the  ideal  gas 

equation, taking  into  account  intermolecular  forces  and  finite molecular  volumes. 

Such  an  analysis  was  first  made  by  the  Dutch  physicist  J.  D.  van  der  Waals  in 

1873. Besides being mathematically simple, van der Waals’s treatment provides us 

with  an  interpretation  of  real  gas  behavior  at  the  molecular  level.  Consider  the 

approach of a particular molecule toward the wall of a container: 

 

Plot of PV_RT versus P of 1 mole 
of a gas at 0 

o

C. For 1 mole of an 

ideal gas, PV/RT is equal to 1, no 
matter  what  the  pressure  of  the 
gas  is.  For  real  gases,  we 
observe  various  deviations  from 
ideality  at  high  pressures.  At 
very  low  pressures,  all  gases 
exhibit  ideal  behavior;  that  is, 
their  PV
/RT  values  all  converge 
to 1 as P approaches zero.
 

Effect  of  intermolecular  forces  on  the 
pressure exerted by a gas. The speed of a 
molecule  that  is  moving  toward  the 
container  wall  (red  sphere)  is  reduced  by 
the  attractive  forces  exerted  by  its 
neighbors  (gray  spheres).  Consequently, 
the  impact  this  molecule  makes  with  the 
wall  is  not  as  great  as  it  would  be  if  no 
intermolecular  forces  were  present.  In 
general,  the  measured  gas  pressure  is 
lower  than  the  pressure  the  gas  would 
exert if it behaved ideally.

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

36 

 

The  intermolecular  attractions  exerted  by  its  neighbors  tend  to  soften  the 

impact  made  by  this  molecule  against  the  wall.  The  overall  effect  is  a  lower  gas 

pressure than we would expect for an ideal gas. Van der Waals suggested that the 

pressure  exerted  by  an ideal  gas,  P

ideal

, is related to  the experimentally  measured; 

that is, observed pressure, P

obs

, by the equation:

 

 

where is a constant and and are the number of moles and volume of the gas, 

respectively.  The  correction  term  for  pressure  (an

2

/V

2

)  can  be  understood  as 

follows.  The  intermolecular  interaction  that  gives  rise  to  nonideal  behavior 

depends  on  how  frequently  any  two  molecules  approach  each  other  closely.  The 

number of such ―encounters‖ increases with the square of the number of molecules 

per  unit  volume,  (n/V)

2

,  because  the  presence  of  each  of  the  two  molecules  in  a 

particular region is proportional to n/V. The quantity P

ideal

 is the pressure we would 

measure  if  there  were  no  intermolecular  attractions,  and  so  a  is  just  a 

proportionality constant. 

Another  correction  concerns  the volume  occupied  by  the gas molecules. In 

the  ideal  gas  equation,  V  represents  the  volume  of  the  container.  However,  each 

molecule  does  occupy  a  finite,  although  small,  intrinsic  volume,  so  the  effective 

volume of the gas becomes (V - nb), where is the number of moles of the gas and 

is a constant. The term nb represents the volume occupied by moles of the gas. 

Having taken into account the corrections for pressure and volume, the ideal 

gas equation can rewrite as follows: 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

37 

 

This  equation,  relating  P,  V,  T,  and  n  for  a  nonideal  gas,  is  known  as  the 

van der Waals equation. The van der Waals constants and are selected to give 

the  best  possible  agreement  between  above  equation  and  observed  behavior  of  a 

particular gas. 

Table below lists the values of and for a number of gases. The value of 

indicates  how  strongly  molecules  of  a  given  type  of  gas  attract  one  another.  The 

table shows that helium atoms have the weakest attraction for one another, because 

helium  has  the  smallest  a  value.  There  is  also  a  rough  correlation  between 

molecular size and b. Generally, the larger the molecule (or atom), the greater is, 

but the relationship between and molecular (or atomic) size is not a simple one. 

Table of van der Waals Constants of Some Common Gases

 

 

 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

38 

 

Example: Given that 3.50 moles of NH

3

 occupy 5.20 L at 47 

o

C, calculate the pressure of the gas 

(in atm) using (a) the ideal gas equation and (b) the van der Waals equation. 

Solution: (a) Using the ideal gas equation: 

 

(b) By using van der Waals equation and from the Table above, we get a and b values for 

NH

3

= 4.17 atm . L

2

/mol

2

 

b= 0.0371 L/mol 

 

so that the correction terms for pressure and volume are: 

 

 

 

Finally, substituting these values in the van der Waals equation: 

 

 

 

Practice Exercise: Calculate the pressure exerted by 4.37 moles of molecular chlorine confined 

in a volume of 2.45 L at 38 

o

C. Compare the pressure with that calculated 

using the ideal gas equation. (a and b values for chlorine are:a6.49 atm . 

L

2

/mol

2

b= 0.0562 L/mol). 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

39 

 

Types of Chemical Reactions 

Chemical reactions can be classified as: 

1.  Oxidation–reduction reactions. 

2.  Combination reactions.  

3.  Decomposition reactions.  

4.  Displacement reactions.  

5.  Metathesis reactions. 

6.  Gas-formation reactions. 

 

1. Oxidation–Reduction Reactions 

The term ―oxidation‖ originally referred to the combination of a substance 

with oxygen. This results in an increase in the oxidation state of an element in that 

substance. Oxidation is an increase in oxidation state and corresponds to the loss, 

or  apparent  loss,  of  electrons.  Reduction  is  a  decrease  in  oxidation  state  and 

corresponds  to  a  gain,  or  apparent  gain,  of  electrons.  Oxidation  and  reduction 

always  occur  simultaneously,  and  to  the  same  extent,  in  ordinary  chemical 

reactions.  So  they  are  referred  to  as  oxidation–reduction  reactions  (usually  we 

call them redox reaction).

 

EX.: The formation of rust, Fe

2

O

3

, iron(III) oxide: 

 

 

 

 

Oxidizing agents are species that: 

Reducing agents are species that: 

(1) oxidize other substances. 

(1) reduce other substances. 

(2) contain atoms that are reduced. 

(2) contain atoms that are oxidized. 

(3) gain (or appear to gain) electrons. 

(3) lose (or appear to lose) electrons. 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

40 

 

The  following  equations  represent  examples  of  redox  reactions.  Oxidation 

states  are  shown  above  the  formulas,  and  oxidizing  and  reducing  agents  are 

indicated: 

 

 

2. Combination Reactions 

Reactions  in  which  two  or  more  substances  combine  to  form  a  single 

compound are called combination reactions. They may involve: 

(1) The combination of two elements to form a compound. 

(2)  The  combination  of  an  element  and  a  compound  to  form  a  single  new 

compound. 

(3) The combination of two compounds to form a single new compound. 

 

 

For  this  type  of  combination  reaction,  each  element  goes  from  an 

uncombined  state,  where  its  oxidation  state  is  zero,  to  a  combined  state  in  a 

compound,  where  its  oxidation  state  is  not  zero.  Thus  reactions  of  this  type  are 

oxidation–reduction reactions. Most metals (low electronegativity) react with most 

nonmetals (higher electronegativity) to form binary ionic compounds.

 

 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

41 

 

 

When  two  nonmetals  combine  with  each  other,  they  form  binary  covalent 

compounds.  In  such  reactions,  the  oxidation  state  of  the  element  with  the  more 

positive  oxidation  state  is  often  variable,  depending  on  reaction  conditions.  For 

example,  phosphorus  combines  with  a  limited  amount  of  chlorine  to  form 

phosphorus trichloride, in which phosphorus exhibits the +3 oxidation state.

 

 

With an excess of chlorine, the product is phosphorus pentachloride, which 

contains phosphorus in the +5 oxidation state:

 

 

In general,  a higher oxidation state of a nonmetal  is formed when  it reacts 

with an excess of another more electronegative nonmetal. 

 

Combination reactions of this type are also oxidation–reduction reactions.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Decomposition Reactions 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

42 

 

Decomposition reactions are those in which a compound decomposes 

to produce: 

(1) Two elements. 

 

 

(2) One or more elements and one or more compounds. 

 

 

(3) Two or more compounds. 

 

 

4. Displacement Reactions 

Reactions  in  which  one  element  displaces  another  from  a  compound  are 

called  displacement  reactions.  These  reactions  are  always  redox  reactions.  The 

lower  the  electronegativity  of  a  metal,  the  more  readily  that  metal  undergoes 

oxidation.  More  active  (less  electronegative)  metals  displace  less  active  (more 

electronegative) metals or hydrogen from  their compounds in aqueous solution to 

form the oxidized form of the more active metal and the reduced (free metal) form 

of the other metal or hydrogen gas. 

The electronegativity of an element is a measure of the relative tendency of 

an atom to attract electrons to itself when it is chemically combined with another 

atom.  Elements  with  high  electronegativities  (nonmetals)  often  gain  electrons  to 

form  anions. The  higher  the  electronegativity, the  more  stable  the  anions  that  are 

formed.  While  elements  with  low  electronegativities  (metals)  often  lose  electrons 

to  form  cations.  The  lower  the  electronegativity,  the  more  stable  the  cations  that 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

43 

 

are formed

For the representative elements in the periodic table, electronegativities 

usually increase from left to right across periods and decrease  from top to bottom 

within groups.

 

 

 

 

 

 

Activity Series of Some Elements 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

44 

 

 

When any metal listed above hydrogen in this series is added to a solution of 

a  nonoxidizing  acid  such  as  hydrochloric  acid,  HCl,  or  sulfuric  acid,  H

2

SO

4

,  the 

metal dissolves to produce hydrogen, and a salt is formed.

 

 

Many  nonmetals  displace  less  active  nonmetals  from  combination  with  a 

metal or other cation. 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

45 

 

 

Each halogen will displace less active (less electronegative) halogens from 

their binary salts; that is, the order of decreasing activities is: 

F

2

 > Cl

2

 > Br

2

 > I

2

 

Conversely, a  halogen  will  not displace  more active  (more  electronegative) 

members from their salts: 

 

 

5. Metathesis Reactions 

In many reactions between two compounds in aqueous solution, the positive 

and negative ions appear to ―change partners‖ to form two new compounds, with 

no  change  in  oxidation  numbers.  Such  reactions  are  called  metathesis  reactions 

(sometimes referred to as double displacement reactions). 

 

 

 

 
Metathesis reactions can be classified into: 

 

Acid–base  reactions  are  among  the  most  important  kinds  of  chemical 

reactions. The reaction of an acid with a metal hydroxide base produces a salt and 

water.  Such  reactions  are  called  neutralization  reactions  because  the  typical 

properties of acids and bases are neutralized. In nearly all neutralization reactions, 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

46 

 

the  driving  force  is  the  combination  of  H

+

(aq)  from  an  acid  and  OH

¯

(aq)  from  a 

base (or a base plus water) to form water molecules. 

 

 

 

In precipitation reactions an insoluble solid, a precipitate, forms and then 

settles out of solution. The driving force for these reactions is the strong attraction 

between  cations  and  anions.  This  results  in  the  removal  of  ions  from  solution  by 

the formation of a precipitate. 

 

 

 

 


background image

Chemistry for 1st class/Physics 

 

Dr. Alaa Hussein Jalil

 

 

 

47 

 

6. Gas-Formation Reactions 

When  there  are  no  gaseous  reactants,  the  formation  of  an  insoluble  or 

slightly  soluble  gas  provides  a  driving  force  for  a  type  of  reaction  that  we  call  a 

gas-formation reaction. The only common gases that are very soluble in water are 

HCl(g)  and  NH

3

(g).  The  low  solubility  of  other  gases  can  force  a  reaction  to 

proceed if they are formed as a reaction product. 

When  an  acid—for  example,  hydrochloric  acid—is  added  to  solid  calcium 

carbonate, a reaction occurs in which carbonic acid, a weak acid, is produced. 

 

The heat generated in the reaction causes thermal decomposition of carbonic 

acid to gaseous carbon dioxide and water: 

 

Most  of  the  CO

2

  bubbles  off,  and  the  reaction  goes  to  completion  (with 

respect  to  the  limiting  reactant).  The  net  effect  is  the  conversion  of  ionic  species 

into nonionized molecules of a gas (CO

2

) and water. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: مؤمن الحافظ
المشاهدات: لقد قام عضوان و 229 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل