atoms and periodic table.notebook - crsd.org

31
atoms and periodic table.notebook 1 March 05, 2012 Mar 211:00 AM Introduction to chemistry or............... Things we have to talk about before we can talk about anything Mar 211:01 AM In this section of the chapter we are going to learn several important concepts atoms elements molecules ions ionic compounds periodic table Mar 211:02 AM Protons neutrons electrons basic atomic structure atomic numbers atomic weights and bonding of elements and molecules

Transcript of atoms and periodic table.notebook - crsd.org

Page 1: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

1

March 05, 2012

Mar 2­11:00 AM

Introduction to chemistryor...............

Things we have to talk about before we can talk about anything

Mar 2­11:01 AM

In this section of the chapter we are going to learn several important concepts

atomselementsmoleculesionsionic compoundsperiodic table

Mar 2­11:02 AM

Protonsneutronselectronsbasic atomic structureatomic numbersatomic weightsand bonding of       elements and molecules

Page 2: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

2

March 05, 2012

Mar 2­11:04 AM

We are going to start by looking at something that is in every high school chemistry book in the world. 

The Periodic table

Mar 2­11:07 AM

Mar 2­11:09 AM

Did you get all that?

Page 3: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

3

March 05, 2012

Mar 2­11:10 AM

Of course you didn't!

For this course, you will NOT have to memorize the periodic table of the elements....you will just have to be able to use the periodic table to understand how substances work together, what they are made of and, how to use the table to get a better understanding of basic chemistry 

Mar 2­11:12 AM

MARCHING DOWN THE ROAD OF THE PERIODIC TABLE....

Mar 2­11:13 AM

The most important thing to know about the periodic table is that it contains all the known elements arranged in some type of logical order

Page 4: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

4

March 05, 2012

Mar 2­11:14 AM

Okay....what is an element?

Mar 2­11:14 AM

That's hard to define...                  BUT

since early times people have believed that all substances that are around us are made up of very fundamental, simple "things"

Mar 2­11:16 AM

fine. But how many of these "things", these "elements" are there?

Page 5: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

5

March 05, 2012

Mar 2­11:17 AM

2?

Mar 2­11:17 AM

5

Mar 2­11:17 AM

50

Page 6: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

6

March 05, 2012

Mar 2­11:17 AM

1,000?

Mar 2­11:17 AM

What are they?How do we find them?

AND.....

Mar 2­11:18 AM

Well in our every day lives it is clear that many of the substance around us can be separated into different substances, so they must be compounds

but if you keep trying to break something down into simpler substances and never succeed, maybe that substance is an element.

Page 7: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

7

March 05, 2012

Mar 2­11:20 AM

Then how do we really know?

Mar 2­11:21 AM

WE DON'T

in fact since very recently, there were some compounds that were so stable (resistant to being broken down) that they were believed to be elements for a very long time

Mar 2­11:22 AM

However we do need a definition for what an element is. 

The opperational definition of an element is: "A substance that cannot be broken down into simpler substances by ordinary physical or chemical means"

Page 8: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

8

March 05, 2012

Mar 2­11:24 AM

UNDERSTAND?

Mar 2­11:25 AM

The conceptual definition of an element is: "A substance composed of only one type/kind of atom"

now that's better....

However, you can't see individual atoms... and it won't help you determine the difference between an element or an elephant by using this definition. What this definition does allow you to do is understand the difference between elements like gold, copper and sulfur from water or sugar, which are compounds.

Mar 2­11:41 AM

The concept of atoms goes back farther than 2,500 years, however it was not until the 1800s that a real understanding of atoms began to be accepted by the scientific community through scientific debate rather than philosophical debate.

in 1869 something wonderful happened....

Page 9: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

9

March 05, 2012

Mar 2­11:05 AM

Dmitri Ivanovich Mendeleev 

Mar 2­11:44 AM

began the first true periodic table...which in some ways resembled today's periodic table...but in some ways it was very different. Back then there were only 60 known elements while today there are 118

Mar 2­11:47 AM

There were several elements "missing"

.....If you don't know something exists, how do you know it is missing?

Mendeleev arranged the atoms from lightest to heaviest, but that doesn't help  in determining if an unknown element is missing...

Page 10: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

10

March 05, 2012

Mar 2­11:50 AM

Mendeleev also noticed that some elements "behaved" the same way  at predictible intervals.

an element reacts violently with water then 8 elements (heavier) away from this atom, another one did the same, then another 8 elements later another one behaved like this as well

for instance...

Mar 2­11:57 AM

Because of this discovery, Mendeleev further arranged the atoms to groups called families, because just like human families, they have similar characteristics

"found" spaces

Predicted properties of undiscovered atoms to they would be easier to find in the labratory

Mar 2­12:00 PM

But atoms are not the most fundamental parts of matter. We now know that the atom is composed of much smaller particles called 

PROTONSNEUTRONSELECTRONS

Page 11: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

11

March 05, 2012

Mar 2­12:02 PM

Each element on the periodic table is represented by a symbol, and this symbol is compose of one or two letters (Carbon = C)                  (Oxygen = O)

Mar 2­12:06 PM

Mar 2­12:08 PM

atomic number

1. How many protons are contained in the nucleus of that atom of that element

2. Tells you how many electrons are surrounding the nucleus of the atom

Page 12: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

12

March 05, 2012

Mar 2­12:13 PM

Mar 2­12:15 PM

Protons are one of the fundamental particles of an atom and are said to have a positive charge, or a charge of "+1"

Are you thinking...."plus 1 what?" GOOD!

Mar 2­12:18 PM

electrical charge.

and...electrical charges come in discrete units (at least when discussing protons and electrons) which means that you can never have a fraction of a charge, they will always be whole integers

The smallest unit of charge is the charge on one proton, the next smallest possible charge would be twice that...there is no fraction of a charge in between those.

Page 13: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

13

March 05, 2012

Mar 2­12:22 PM

But atoms are electrically neutral. ALL atoms in their natural state are electrically neutral so what does that mean?

Mar 2­12:24 PM

we say that there are only two kinds of charges, which we have arbitrarily labeled as being +1 and ­1. We could have just as easily called them Sammy and Joey, if we wished. We label them +1 and ­1 because these were the only 2 different kinds of charges we have found, and in addition, if we combine 1 of each of these 2 different kinds of charges the result is no charge at all. If we assume that opposite charges attract and like charges repel, what kind of experimental result would force us to conclude that there were, in fact, 3 different kinds of charges in nature instead of only 2?

Mar 3­11:29 AM

If we could charge 3 different spheres and then found that any combination of 2 would attract each other, then we would have to conclude that there were 3 different kinds of charges instead of only 2. In reality it is impossible to charge 3 spheres without 1 combination repelling each other which indicates that there are only 2 different kinds of charges

Page 14: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

14

March 05, 2012

Mar 2­11:55 AM

In our last discussion, we learned that the atomic number is an important number. It tells you the number of PROTONS in the atom. We also learned that an atom will NEVER change how many protons it contains without changing it's identity, or the type of element it is.

In other words....

Mar 3­7:42 AM

The number of protons DEFINES what kind of element a substance is.

We also learned that all atoms, in their natural state, are electrically neutral. This means that they do not have a positive or negative charge. Because of this, you can determine the number of electrons in a neutral atom by looking at the atomic number as well.

Mar 3­7:45 AM

There are many difference between a proton and an electron....

1. The most obvious one is their charge:                  Protons have a positive charge while electrons have a negative charge

Page 15: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

15

March 05, 2012

Mar 3­7:54 AM

2. The second is their location: Protons are found in the nucleus of an atom while electrons are found outside the nucleus, zipping around in energy "fields" called orbitals

Mar 3­7:55 AM

3. The third is their size: Protons are "large" (at least compared to an electron) while electrons are "teeny­weenie"

Mar 3­8:24 AM

4. The fourth, and for this discussion, the most important difference is this:the number of protons in an atom of a particular element will never change, while an atom can gain and lose electrons without changing what kind of element it is.

BUT IT WILL DO SOMETHING TO THE ATOM....

Page 16: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

16

March 05, 2012

Mar 3­8:28 AM

The gain or loss of electron(s) in an atom will  change the charge of the atom

Mar 3­8:38 AM

An atom can gain or lose electrons to form charged particles called IONS

Atoms that gain electrons become negatively charged  and are called anions

Atoms that lose electrons become positively charged and are called cations

The charge of an ion is written in the upper right of the chemical symbol, like S   or Al 

Mar 3­8:45 AM

Let's look at our chlorine atom from the last discussion......

Cl

If we wanted to indicate that this chlorine atom had gained an electron, what would we do?

How many electrons would it have? How do you know?

Page 17: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

17

March 05, 2012

Mar 3­8:55 AM

Let's practice a bit.

NaKCaAlSn

+

+

2+

3+

4+

Using your periodic table and the information next to the chemical symbols, determine the number of electrons for each cation

Mar 3­9:02 AM

time for a joke!

One day there was a horribly depressed and anxious sodium atom. Her friend came up to her and said "what's wrong, Sodium you look horrible!" Sodium stopped sobbing for a second and said "I'm afraid I have lost one of my electrons!" Her friend said "Oh no! That's awful! Are you sure?""Oh yes." Said Sodium "I'm positive!"

Mar 3­9:07 AM

Now let's ask another question......

Is there any simple way to know what a given atom will do ­ will it gain or lose electrons, and if so how many will it gain or lose?

For most atoms on a practical level, the answer is not really. But for some atoms like sodium and chlorine you can make a pretty good educated guess about what they are likely to do. And you do this my knowing something MORE about our periodic table

Page 18: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

18

March 05, 2012

Mar 3­9:11 AM

The periodic table is organized according many characteristics of certain elements.

The atomic number of the elements (how many protons are in the nucleus) is represented as increasing by 1 as you look from left and move to the right of the table

Mar 3­9:13 AM

Mar 3­9:13 AM

Page 19: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

19

March 05, 2012

Mar 3­9:21 AM

The vertical columns are called families or groups

(atoms that have similar characteristics)

The horizontal rows are called rows or periods

The zig­zag staircase line near the right hand side of the periodic table divides the elements into metals on the left and non­metals on the right

Mar 3­9:26 AM

Mar 3­9:26 AM

IT IS THIS LINE THAT HELPS YOU TO UNDERSTAND IF AN ATOM IS LIKELY TO GAIN OR LOSE ELECTRONS AND GENERALLY HOW MANY ELECTRONS AN ATOM/ELEMENT IS LIKELY TO GAIN OR LOSE

Page 20: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

20

March 05, 2012

Mar 3­11:34 AM

Metals share some properties, as do non­metals

Metals: 

­ found to the left of the stair step line­ most are solid at room temperature­ have few electrons in their outer orbital­ good conductors of heat and electricity­ shiny

likely to form positive ions

Mar 3­12:01 PM

­ found to the right of the stair step line­ more than half are gasses at room temperature­ most have an almost complete outer orbital of electrons­ brittle and likely to shatter when hit with a hammer­ poor conductors of heat and electricity

Non­metals:

likely to form negative ions

Mar 4­12:31 PM

The number of electrons in an atom is determined by the number of protons. This is determined by looking at the atomic number.

Page 21: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

21

March 05, 2012

Mar 4­12:33 PM

But you might be wondering....how are these electrons distributed around the nucleus?....

Mar 4­12:33 PM

Are you wondering that?

Mar 4­12:34 PM

GOOD!

Page 22: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

22

March 05, 2012

Mar 4­12:34 PM

Well.....it has been determined that electrons whip crazily around a nucleus like so many frenzied bees in discrete levels, called orbitals, clouds, energy levels, and all kinds of other completely random and incorrect terms. 

Mar 4­12:35 PM

The really interesting thing is that electrons are not evenly distributed in these orbitals, there are different numbers of electrons in every level, and every level has to be filled until a new level can be "made"

Mar 4­12:36 PM

Now we know that atoms are neutral, but what would you think if I told you that they usually are not STABLE?

Page 23: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

23

March 05, 2012

Mar 4­12:37 PM

Stable?

Mar 4­12:37 PM

whattheheckdoesthatmean??????

Mar 4­12:38 PM

Welllllllllllllll................

Stability (at least in an atom) means that the outter layer ­ also known as the valence electron shell ­ is full. 

Page 24: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

24

March 05, 2012

Mar 4­12:38 PM

WOWIE­ZOWIE!

Mar 3­9:41 AM

???????What is this number and what does it represent?

Mar 3­9:43 AM

Tells us how heavy an atom of that element is compared to atoms of all the other elements

It's called the atomic weight or atomic mass

So now I hope you are wondering....How the heck is that number determined? And why is it a fraction if we are dealing with whole particles such as protons, neutrons and electrons

Page 25: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

25

March 05, 2012

Mar 3­10:03 AM

Believe it or not this was one of the most complex questions facing chemists in the 19th century, and it well over 50 years to solve it.

It has to do with a particle that is present in the nucleus most atoms, it is called an Neutron. And, like the name implies, it carries no charge at all

Mar 3­10:11 AM

Particle Charge

Proton +Electron ­Neutron 0

Mar 3­10:13 AM

Mass of these particles:

proton 1.673 x 10 ­27

0.000000000000000000000000001673 kg

Neutron  1.675 x 10

Electron  9.109 x 10

­27

­31

kg

kg

Page 26: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

26

March 05, 2012

Mar 3­10:47 AM

But these numbers are ridiculous. SO we use a different unit for mass, this unit is designed to accommodate the very small amount of mass in a subatomic particle. It is called the ATOMIC MASS UNIT or the AMU

Mar 3­10:49 AM

The mass of the particles represents in AMU 

Protons 1.0073 AMUNeutrons 1.0087 AMUElectrons 0.00055 AMU

Mar 3­10:54 AM

The atomic mass tells you the average mass of all of the atoms of a certain element. This is calculated by particles in the nucleus of the atom. 

What are the particles that are found in the nucleus?

Page 27: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

27

March 05, 2012

Mar 3­11:01 AM

good

Mar 3­10:56 AM

So why the decimal?

Can you have a fraction of a sub­atomic particle?

Mar 3­10:57 AM

So why the decimal?

Page 28: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

28

March 05, 2012

Mar 3­1:23 PM

Mar 3­11:14 AM

Because atoms can have differing amounts of neutrons in it's nucleus. Sometimes an atom will have more than is average, sometimes an atom will have less neutrons than average

An atom that has more neutrons than is average will, quite obviously, be heavier

An atom that has fewer neutrons than is average will, quite obviously, be lighter

Mar 3­11:01 AM

Because atoms can have differing amounts of neutrons in it's nucleus. Sometimes an atom will have more than is average, sometimes an atom will have less neutrons than averageHOWEVER,If you average ALLLLLLL the atoms of a single type of element, their average mass (that including heavy and light atoms) is indicated in the atomic mass

Page 29: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

29

March 05, 2012

Mar 3­11:03 AM

Let's look at chlorine again.

# of protons

Average number of protons and neutrons in the nucleus

What does this number say about what the atom is likely to have when it comes to neutrons?

Mar 3­11:18 AM

Right!This type of element typically produces heavier atoms.

Mar 3­9:50 AM

Here's a helpful rule when determining the atomic mass of an element. You will need to round to 1 decimal point. Here's an example

S15.9994 32.064O

Oxygen Sulfur

Page 30: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

30

March 05, 2012

Mar 3­9:56 AM

This tells us that an average sulfur atom is almost  twice as heave as the average oxygen atom. If we look at Helium (He) we can determine that it's atomic mass is 4.002, which will round to 4.0

What we find when we look at this is that Helium is about 1/4 as heavy as an average oxygen atom and about 1/8th as heavy as an average sulfur atom

Mar 3­9:59 AM

Not all atoms can be compared so nicely...

If we compare our good 'ole chlorine to oxygen we get something like this

35.516.0 = 2.22 to 1 or just over 2 

times heavier than an oxygen atom

Mar 3­9:41 AM

An atom that has fewer or more neutrons than is average is called an 

Isotope

Page 31: atoms and periodic table.notebook - crsd.org

atoms and periodic table.notebook

31

March 05, 2012

Mar 3­9:32 AM

DIHYDROGENMONOXIDE

Sep 17­12:35 PM