206
Course Booklet Chem1012 Final Exam Note: This Course Booklet is exclusively recommended for this academic term. The structure and content of courses changes each term and this Course Booklet will not be useful in future academic terms. Chemistry 1012 © Prep101

Chem Course Booklet

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Chem Course Booklet

Course BookletChem1012 Final E

xam

Note: This Course Booklet is exclusively recommended for this academic term. The structure and content of courses changes each term and this Course Booklet will not be useful in future academic terms.

C h e m i s t r y 1 0 1 2

© Prep101

Page 2: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

 

A Friendly Note about Copyright 

This Course Booklet represents many, many hours of work. We ask that you please respect that 

by not copying any part of this book. You are welcome to share this book with your friends, but 

please don’t copy! 

 Thanks a lot,  Prep101  Important Disclaimer 

This  Course  Booklet  is  not  a  replacement  for  lectures,  tutorials,  or  textbook  readings.  It  is  a 

supplement focusing on problem‐solving that will reinforce – not replace – what you’re learning 

in lectures, tutorials, and readings. 

 Preface 

This Course Booklet contains a  summary of  the key material  tested on Chem1012 exams.   We 

encourage you to read through it, and write in any additional notes that you think will help you 

better understand the material. 

 

The  material  is  divided  into  12  chapters.    Each  chapter  begins  with  a  review  of  important 

concepts, puts the subject into context, and ends with practice exam‐style questions.   

 

Within  the  text  of  the  Course  Booklet  are  small  textboxes with  the  headings: Need  to  know, 

Important Concept and Question Alert.  Read these textboxes as they contain important clues as 

to what  is commonly tested.   There are some concepts that are tested every year and we have 

tried to outline these for you. 

    

Page 3: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

2

Table of Contents  Section                                                                Page # 

DISTRIBUTION OF MARKS ON PREVIOUS EXAMS .............................................................................. 6 

PERIODIC TABLE ................................................................................................................................. 7 

FORMULA SHEET ................................................................................................................................ 8 

I.  FUNDAMENTAL CONCEPTS AND STOICHIOMETRY .................................................................... 15 

1.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 15 

1.2 Chemical Formulas, Names, and Equations ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 16 

1.3 Mass and Mole of Substance ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 19 

1.4 Determining Molecular Formula ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 20 

1.5 Quantitative Relations in Chemical Reactions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 21 

1.6  Aqueous Solutions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 23 

1.7 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 25 

II. ATOMS AND LIGHT ...................................................................................................................... 34 

2.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 34 

2.2 Basic Terms and the Photoelectric Effect ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 36 

2.3 Quantization of Energy ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 38 

2.5 Heisenberg’s Uncertainty Principle ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 41 

2.6 Quantization and Quantum Numbers ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 41 

2.7 Shapes of Atomic Orbitals ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 43 

2.8 Periodicity of Atomic Properties‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 43 

2.9 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 45 

III. FUNDAMENTALS OF CHEMICAL BONDING ............................................................................... 49 

3.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 49 

Page 4: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

3

3.2 Overview of Bonding ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 50 

3.3 Ionic Bonding ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 50 

3.4 Covalent Bonding ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 52 

3.5 VSEPR: Molecular Geometry ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 54 

3.6 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 55 

IV. THE BEHAVIOUR OF GASES ........................................................................................................ 57 

4.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 57 

4.2 Molecules in Motion ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 58 

4.3 The Ideal Gas Equation ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 59 

4.4 Applying the Ideal Gas Equation ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 60 

4.5 Gas Mixtures ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 61 

4.6 Real Gases ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 62 

4.7 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 63 

V. SOLIDS, LIQUIDS, SOLUTIONS AND THEIR PROPERTIES ‐ EFFECTS OF INTERMOLECULAR FORCES ............................................................................................................................................. 72 

5.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 72 

5.2 Types of Intermolecular Forces ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 73 

5.3 Forces in Solids ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 73 

5.4 Close‐Packed Crystals ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 76 

5.5 Phase Diagrams ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 77 

5.6  Solutions and Colligative Properties ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 78 

5.7 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 79 

VI. KINETICS: MECHANISMS AND RATES OF REACTIONS .............................................................. 88 

6.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 88 

6.2 Rates of Chemical Reactions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 90 

6.3 Concentration and Reaction Rates ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 90 

Page 5: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

4

6.4 Experimental Kinetics ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 91 

6.5 Linking Mechanisms and Rate Laws ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 92 

6.6 Reaction Rates and Temperature ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 93 

6.7 Catalysis ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 94 

6.8 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 95 

VII. THERMOCHEMISTRY ............................................................................................................... 104 

7.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 104 

7.2 State and Path Functions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 106 

7.3 Energy Change ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 107 

7.4 The First Law of Thermodynamics ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 110 

7.5 Heat Measurement: Calorimetry ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 111 

7.6 Heats of Formation ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 112 

7.7 Hess’s Law ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 112 

7.8 Bond Dissociation Energy ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 112 

7.9 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 113 

VIII. CHEMICAL EQUILIBRIUM ....................................................................................................... 118 

8.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 118 

8.2 Dynamic Equilibrium ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 119 

8.3 Equilibrium Constant ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 119 

8.4 Applications of the Equilibrium Constant ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 121 

8.5 Le Chatelier’s Principle ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 123 

8.6 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 124 

IX. AQUEOUS ACID‐BASE EQUILIBRIUM ....................................................................................... 132 

9.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 132 

9.2 Self Ionization of Water ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 133 

9.3 Finding pH of Strong Acid/Base ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 134 

Page 6: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

5

9.4 Weak Acids and Bases ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 134 

9.5 Strategy for Solving Acid‐Base Problems: A Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 138 

9.6 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 139 

X. APPLICATIONS OF AQUEOUS EQUILIBRIA ................................................................................ 146 

10.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 146 

10.2 Buffer Solutions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 147 

10.3 Acid‐Base Titrations ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 148 

10.4 Solubility Equilibria ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 151 

10.5 Complexation Equilibria ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 157 

10.6 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 158 

XI. THERMODYNAMICS ................................................................................................................. 164 

11.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 164 

11.2 Spontaneity and Entropy ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 166 

11.3 Spontaneity and Free Energy ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 167 

11.4 Change in Free Energy under Non‐standard Conditions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 168 

11.5 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 171 

XII. ELECTROCHEMISTRY ............................................................................................................... 176 

12.1 Chapter Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 176 

12.2 Recognizing Redox Reactions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 177 

12.3 Balancing Redox Reactions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 179 

12.4 Standard Reduction Potentials ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 184 

12.5 Galvanic cells ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 187 

12.6 Cell Potentials and Free‐Energy Changes ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 189 

12.7 Electrolysis and Electrolytic Cells ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 192 

12.8 Practice Exam Questions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 196 

STUDY TIPS/EXAM WRITING STRATEGIES ...................................................................................... 204 

Page 7: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

6

 Distribution of Marks on Previous Exams 

Summary 

Topic  2001 spring 

2001 winter 

2003 spring 

2003 winter 

2004 spring 

2005 spring 

2005 winter 

2006 spring 

% of marks 

Stoichiometry  0  3  3  9  18  6  5  2  6% 

Atoms and Bonding  0  0  5  5  0  12  3  7  4% 

Gases   15  7  7  14  9  5  2  2  8% 

Solids, Liquids, Solutions  6  12  12  5  3  7  15  5  8% 

Thermochemistry  20  13  13  9  3  4  22  3  11% 

Thermodynamics   6  14  14  7  12  10  3  30  12% 

Acids, Bases, &  Equil.  9  11  11  16  10  6  15  18  12% 

Electro‐chemistry  18  14  15  16  12  20  25  23  17% 

Question Pattern on Old Exams 

In past exams, questions have come from ALL chapters.  Therefore, to do well you need to know 

all the material.   BUT every chapter has  its focus.  I advise you to understand the principles and 

pay special attention  to  the key points. Work on  the sample exam questions on your own and 

then compare with solutions.  

Page 8: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

7

Periodic Table 

Page 9: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

8

Formula Sheet 

 

Atoms, Molecules, and Compounds 

 

Mass =  mA =  AA MMn ×  

 Number of Atoms = n × NA,  NA = 6.022 × 1023 atoms/mol  

 

Molarity (M) = solution of volumeTotal

solute of Moles = mol/L or M = 

Vn 

 

Molality (m) = solvent of Masssolute of Moles

 = mol/kg  

 

Dilutions: MiVi = MfVf 

Chemical Reactions and Stoichiometry 

   

Stoichiometric Ratio: MolesB =  ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

A

B

tCoefficientCoefficien MolesA 

 

Percent Yield = 100% ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

amount lTheoreticaamount Actual . 

Page 10: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

9

Atoms and Light 

   

Universal Wave Equation: λν = c 

 

Photoelectric Effect: Ephoton = hνphoton 

 

Electron Kinetic Energy = Ekinetic (electron) = hv − hv0 =  2

2mu 

Hydrogen’s Electron: En = −  2

18 J 1018.2n

−× 

Photon Energy: Ephoton = λhc

= hν 

Speed: u = m

Ekinetic2; c = 3×108 m/s 

Particle in a Box:  En =  2

22

mL8n h  

Page 11: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

10

Behaviour of Gases 

   

  Kinetic Energy: KE = ½ mu2   

 

Root‐Mean‐Square Speed: MRTuurms

32 ==  

 

Average Kinetic Energy: A

kinetic 23

NRTE =    

 

Gas Constant, R = 8.314 J mol‐1K‐1 or 0.08206 L atm K−1 

   

  Ideal Gas Equation: PV = nRT 

 

Equation for Molar Mass: PV

mRTMM =  

 

Dalton’s Law of Partial Pressures: Ptotal   =   P1  +  P2  +  P3  + … +  Pn 

  =  (n1  +   n2  +  n1  +  …  +  nn)RT / V 

 

Mole Fraction (X): Mole fraction of A = XA = total

A

nn

; XA = total

A

PP

     

 

  Real Gas Equation:      

         

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

−=

Vna

nbVnRTP

 

Page 12: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

11

Thermodynamic Chemistry: 

Heat:     

q = nCΔT 

qsys = − qsurr  

qcalorimeter = CcalΔT 

 

Work:     

w  =  Fd 

wsys = − PextΔVsys 

wsys = − wsurr 

 

 

Energy:      

ΔEsys = qsys + wsys 

ΔE = qv (Constant‐Volume calorimeter) 

 

 

Enthalpy:     

ΔH = qp (heat flow in a constant‐pressure process) 

ΔH = ΔE + Δ(PV) 

∑ Δ=Δ oofpreaction coeff HH (products) − ∑ Δ o

frcoeff H (reactants) 

ΔHsolidification = − ΔHfus    

ΔHcondensation = −ΔHvap 

ΔEvap = ΔHvap − RTvap 

Page 13: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

12

Spontaneity: 

Entropy:      

TqS T=Δ

 

ΔSuniverse =  ΔSsystem  +   ΔSsurroundings 

∑ Δ=Δ oo SS preaction coeff (products) − ∑ Δ oSrcoeff (reactants) 

  

 

Free Energy:  

ΔGsys =  ΔHsys − TΔSsys 

∑= oofpreaction coeff GG ΔΔ (products) − ∑ o

frcoeff GΔ (reactants) 

oGΔ  =  oHΔ − T oSΔ  

 

 

ΔConcentration:   

ΔSreaction  =  oreactionSΔ  − R ln Q 

Qlnreactionreaction RTGG +Δ=Δ o    

 

 

Chemical Equilibrium: 

[ ] [ ][ ] [ ]ba

edK

eqeq

eqeqeq

BA

ED=

 

Page 14: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

13

Acid Base Equilibrium: 

pH  = −log[H3O+] 

pOH  = −log[OH−] 

pKa = −log Ka 

pKb = −log Kb 

pH + pOH = 14.00 

KaKb = Kw 

pKa  + pKb = 14.00 

 

 

Applications of Aqueous Equilibria: 

pH  = pKa  +  log[ ][ ] ⎟

⎜⎜

⎛ −

initial

initialHAA

 

 

Electrochemistry: °cellE   =   °

cathodeE   ‐   °anodeE  

ΔG = ‐nFE, where F = 96,485.34 C mol‐1 

eqKnFRTE ln=°  

 

Nernst equation:  QnFRTEE ln−°=

 

Page 15: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

14

Kinetics: 

First‐Order Rate Law: Rate = k[A]       kt=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛[A][A]

ln 0  

Half‐Life (t1/2), 1st Order: 

kt 2ln

2/1 =  

Second‐Order Rate Expression: Rate = k[A]2    kt=−0[A]

1[A]1

 

Arrhenius Equation:  /RTEaAek −=        RT

EAln kln a−=

Page 16: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

15

I.  Fundamental Concepts and Stoichiometry   This is a review of fundamental concepts and the structure of matter: measurement in chemistry; 

chemical reactions and stoichiometry.  

1.1 Chapter Summary 

 Atom: the fundamental unit of a chemical substance  

Molecule: combination of two or more atoms held together in a specific shape by attractive force 

Chemical Compound: a substance that contains more than one element 

Molecular Formula: a chemical formula that gives the exact number of different atoms of an 

element in a molecule 

Empirical Formula: contains the smallest set of whole‐number subscripts that give relative 

amounts of constituent atoms 

Empirical Formula/Molecular Formula    massformulaMolecularmassforumlaEmpiricaln =  = 

mass

mass

MFEF

 

Mole: the number equal to the number of atoms in exactly 12 g of pure 12C. 

Avogadro Constant: NA = 6.022×1023 atoms/mol 

Mass Percent Composition: listing of the mass of each element present in 100 g of a compound, 

also called the compound’s elemental analysis 

Balanced Chemical Equation: describes a chemical reaction in which the amounts of all elements 

and of electrical charge are conserved 

Stoichiometric Ratio: ratio of Stoichiometric coefficients from a balanced equation 

Yield: amount of a product obtained from a reaction  

Theoretical Yield: amount of product predicted by Stoichiometry  

Actual Yield: amount actually obtained  

Percent Yield: the percentage of the theoretical amount that is actually obtained: 

Percent Yield = 100% ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

amount lTheoreticaamount Actual  Factional Yield: Fractional yield =

yieldltheoreticayieldactual⋅

⋅ 

Limiting Reactant: the reactant that runs out first, based on the Stoichiometric ratio of all the 

reactants 

Page 17: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

16

1.2 Chemical Formulas, Names, and Equations 

1.2.1 Chemical Equations 

Gives a description of a chemical reaction. Stoichiometric coefficients give the ratio in which 

the reactants and products exist 

The  products  of  a  chemical  reaction  have  to  account  for  all  the  atoms  present  in  the 

reactants. 

 

1.2.2 Chemical Formulas 

 

A chemical  formula describes  the composition of a  substance by giving  the  relative number of 

atoms of each element. 

 

1.2.3 Empirical Formulas 

An  empirical  formula  contains  the  smallest  set  of whole‐number  subscripts  that  give  relative 

amounts of constituent atoms.  

 

1.2.4 Molecular Formulas 

A molecular formula is a chemical formula that gives the exact number of different atoms of 

an element in a molecule 

To get the molecular formula from the empirical you must be given the molecular weight 

Page 18: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

17

 

1.2.5 Naming chemical compounds 

 

The following two tables are provided to help you to review some basic rules. 

Table 1.1 −Number Prefixes for Chemical Names  

Number  Prefix  Example  Name 

1  Mon(o)‐*  CO  Carbon monoxide 

2  Di‐  SiO2  Silicon dioxide 

3  Tri‐  NO3  Nitrogen trioxide 

4  Tetr(a)‐  CCl4  Carbon tetrachloride 

5  Pent(a)‐  PCl5  Phosphorus pentachloride 

6  Hex(a)‐  SF6  Sulfur hexafluoride 

7  Hept(a)‐  IF7  Iodine heptafluoride 

* If the numerical prefix ends with the letter “o” or “a” and the name 

of the element begins with a vowel, drop the last letter of the prefix. 

Page 19: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

18

Table 1.2−Common Polyatomic Ions 

Formula  Name  Formula  Name 

Cations    Oxyanions  

NH4+  Ammonium NO3

− Nitrate  

H3O+  Hydronium  NO2

− Nitrite 

Hg22+  Mercury (l)  SO4

2− Sulfate 

    SO32− Sulfite 

    PO43−  Phosphate 

    PO33− Phosphite 

Diatomic Anions       

OH−  Hydroxide  MnO4− Permanganate 

CN−  Cyanide  CrO42− Chromate 

    Cr2O72− Dichromate 

Anions with Carbon    

CO32−  Carbonate  ClO4

− Perchlorate 

CH3CO2−  Acetate  ClO3

− Chlorate 

C2O42−  Oxalate  ClO2

− Chorite 

    ClO− Hypochlorite 

Page 20: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

19

Guidelines for Naming Oxyanions 

 

1)  When an element forms two different oxyanions, the one with fewer oxygen atoms ends in ‐

ite, and the other ends in ‐ate (for example, SO32−, sulfite, and SO4

2−, sulfate). 

 

2)   Chlorine, bromine, and  iodine each  form  four different oxyanions  that are distinguished by 

prefixes and suffixes.  The nomenclature of these ions is illustrated for chlorine, but it applies 

to bromine and iodine as well:  ClO−, hypochlorite; ClO2−, chlorite; ClO3

−, chlorate; and ClO4−, 

perchlorate. 

 

3)   A polyatomic anion with a charge more negative than −1 may add a hydrogen cation (H+) to 

give  another  anion.    These  anions  are  named  from  the  parent  anion  by  adding  the word 

hydrogen.   For example, HCO3−  is hydrogen  carbonate, HPO4

2−  is hydrogen phosphate, and 

H2PO4− is dihydrogen phosphate. 

 

 

1.3 Mass and Mole of Substance 

 1.3.1 Molecular weight and Formula weight 

Molecular weight  (MW)  is  the  sum  of  the  atomic weights  of  all  atoms  in  a molecule  of  a 

substance. Formula weight  (FW)  is the sum of the atomic weights of all atoms  in a  formula 

unit of a compound. 

To convert between grams and moles use the molar mass 

To convert between moles and molecules use avogadro’s number 

 

 

Page 21: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

20

1.3.2 Mole 

 

One mole is the number of atoms in exactly 12 g of the pure isotope carbon‐12. This number 

of atoms is called Avogadro constant NA = 6.022×1023 atoms/mol 

For  all  substances  the molar mass  in  grams  per mole  is  numerically  equal  to  the  formula 

weight in atomic mass units. 

  1.4 Determining Molecular Formula   1.4.1 Mass percentage from formula 

 

The mass percent composition  is a  listing of the mass of each element present  in 100 g of a 

compound 

%100% x

wholetheofmasswholetheinAofmassMass =

 

This percent by mass listing is also called the compound’s elemental analysis.  

  1.4.2 Determining formulas 

 

Finding  the  empirical  formula  from  the  composition,  convert  the mass of  the  elements  to 

moles 

Finding molecular formula from empirical formula 

Page 22: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

21

Important Concept ! Limiting reactant is 

completely consumed.  Others produced and reacted must be 

calculated based on the limiting reactant. 

1.5 Quantitative Relations in Chemical Reactions 

 1.5.1 Quantitative information from Chemical reactions 

Equation gives the number of molecules which react to 

form product 

This  is  the  ratio  of  number  of  moles  of  reactants 

required to give ratio of number of moles of product. 

The  ratio  of  grams  of  reactants  cannot  be  directly 

related to the grams of products. 

To get grams of product from grams of reactant 

o Convert grams of reactants to moles of reactants (use molar mass) 

o Convert  moles  of  one  reactant  to  moles  of  other  reactants  and  products  (use 

stoichiometric ratio) 

o Convert moles back to grams for desired product ( use molar mass) 

 

 

1.5.2 Limiting reagents 

When you have two or more reactants in a chemical reaction, 

the  limiting reactant  is the reactant that runs out  first, based 

on the stoichiometric ratio of all the reactants 

The other materials are said to be in excess 

Question ALERT! A common question on exams is to 

ask the amount(g or mol), concentrations, # of atoms or 

molecules based on the balanced equation. 

Page 23: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

22

Limiting Reagent: Problem Solving Technique: 

o Convert all reagent masses to moles 

o Divide number of moles of each reagent by its coefficient in the BALANCED equation 

o Inspect  the  numbers  obtained;  the  smallest  value  is  the  LIMITING  REAGENT  and  the 

moles of products will depend only on the moles of this reactant, all the others being in 

excess. 

1.5.3 Percentage yield 

  The amount of a product obtained from a reaction is often reported as a yield 

The  amount  of  product  predicted  by  stoichiometry  is  the  theoretical  yield,  whereas  the 

amount actually obtained is the actual yield. 

The percent yield is the percentage of the theoretical amount that is actually obtained: 

  Percent Yield = 100% ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

amount lTheoreticaamount Actual     Fractional yield = 

yieldltheoreticayieldactual⋅

⋅ 

Page 24: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

23

1.6  Aqueous Solutions  

A pure substance dissolved in solution is a solute.  A substance used to dissolve solutes is called a 

solvent.  Most of the time, the solvent is a liquid and is present in much larger quantities than any 

solutes.  When water is the solvent, the solution is said to be aqueous. 

 

1.6.1  Molarity and molality  

Molarity  is  the number of moles of solute  (n) divided by  the  total volume of  the solution  (V)  in 

litres. 

Molarity (M) = solution of volumeTotal

solute of Moles = mol/L or M = 

Vn. 

 

Molality (M) = Moles of solute

( ) of solventMass in kg = mol/kg or m = 

nkg

  

1.6.2 Dilutions  The quantitative aspects of dilutions  can be  found  from  the  fact  that  the number of moles of 

solute does not change during a dilution:       Molessolute, initial = Molessolute, final 

Because Moles = (Molarity) × (Volume), this leads to a simple equation:            

MiVi = MfVf 

 

Page 25: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

24

1. Cations whose salts are soluble:    

NH4+ and Group 1 (Li+, Na+, K+, etc.) 

 2. Anions whose salts are soluble:     

 NO3

−     ClO4−     HSO4

−    CH3CO2−    

 3. Anions whose salts are mainly soluble:          

 Cl−    Br−        I−       SO4

2−              Exceptions:                                     

 AgCl            AgBr   AgI           BaSO4 

      Hg2Cl2    Hg2Br2     Hg2I2        Hg2SO4       PbCl2      PbBr2       PbI2    PbSO4  4. Anions whose salts are mainly precipitates:   

 CO3

2−, S2–, PO43−  except rule #1. 

  5. Bases are mainly precipitates except rule #1 and Ba(OH)2. 

1.6.3  Precipitation Reactions  

A precipitation  reaction occurs when  cations and anions  in aqueous  solution  combine  to  form 

neutral insoluble salts. The following solubility table is very useful. 

Page 26: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

25

1.7 Practice Exam Questions  

 

Multiple Choice 

1.   When a 1.00 g sample of a mixture of NaCl and AlCl3 is treated with excess AgNO3 solution, 

0.02142 moles of solid AgCl are obtained.  What is the percentage by mass of NaCl in the 

mixture?  (NaCl, 58.44 g∙mol−1; AlCl3, 133.33 g∙mol−1) 

 

A. less than 10% 

B. 20% 

C. 25% 

D. 31% 

E. 42% 

 

 

2.   When 900 g of a compound containing C, H and O was burned completely in a stream of pure, 

dry oxygen, 0.880 g of CO2 and 0.180 g H2O were obtained.  What is the empirical formula of 

the compound? 

 

A. CHO2 

B. C3H3O 

C. C3H5O6 

D. CH2O 

E. C2H2O 

Page 27: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

26

3.   A 2.4917 g sample of a hydrate of cobalt (II) fluoride, CoF2 ⋅ xH2O, was heated to drive off all of 

the water of   hydration.   The remaining solid weighed 1.4290 g.   What  is the formula of the 

hydrate? 

 

Molar masses, in g mol‐1:H  1.008  O 16.00  F  19.00  Co  58.93 

 

A. CoF2 ⋅ H2O 

B. CoF2 ⋅ 2H2O 

C. CoF2 ⋅ 3H2O 

D. CoF2 ⋅ 4H2O 

E. CoF2 ⋅ 5H2O 

 

 

4.   How many oxygen atoms are present in 2.00 millimoles of H3PO4? 

 

A. 4.82 x 1021 

B. 1.20 x 1024 

C. 6.02 x 1023 

D. 1.20 x 1021 

 

 

5.   Combustion analysis of a 15.0 mg sample of acetaminophen produced 8.10 mg of water.  

What is the percent hydrogen in acetaminophen? 

 

A. 24.7% 

B. 6.04% 

C. 12.1% 

D. 3.02% 

wer: Bolution: 8.10mg H2O x 1mol H2O x 2mol H x 1.008 g = 0.9064mg H

Page 28: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

27

6.  The hypothetical element torontonium (symbol To) has two stable isotopes: 

To‐46 = 46.046 amu, relative abundance = 64.08% 

To‐51 = 50.826 amu, relative abundance = 35.92% 

What is the average atomic weight of this soon to be discovered element (amu = atomic mass 

units)? 

 

A. 47.44 amu 

B. 48.44 amu 

C. 49.11 amu 

D. 47.76 amu 

E. 48.50 amu 

 

 

7.  What is the mass of a single bromine molecule? 

 

A. 1.327×10–22 g 

B. 2.654×10–22 g 

C. 79.90 g 

D. 159.8 g 

E. none of the above 

 

 

Page 29: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

28

8.   Nitrous oxide, N2O and oxygen react to produce NO2 according the equation 

2 N2O   +   3 O2    ⎯→    4 NO2 

If 6 moles of N2O and 8 moles of O2 react to produce as much NO2 as possible, how many 

moles of which reactant will remain at the end of the reaction? 

 

A. 1/3 mol O2 remains 

B. 2/3 mol O2 remains 

C. 1/3 mol N2O remains 

D. 2/3 mol N2O remains 

E. 1.5 mol O2 remains. 

9.   Iodine is produced from sodium iodate via the sequence of reactions: 

IO3‐(aq)  +  3 HSO3

‐(aq)  →  I‐(aq)  +  3 SO42‐(aq)  +  2 H+(aq) 

5 I‐(aq)  +  IO3‐(aq)  +  6 H+(aq)  →  3 I2(s)  +  3 H2O(l) 

How many moles of I2 can be produced from 0.961 moles HSO3‐? 

 

A. 0.247 moles 

B. 0.961 moles 

C. 0.247 moles 

D. 0.192 moles 

E. 0.808 moles 

 

 

Page 30: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

29

10. Methane  (CH4) reacts with oxygen  (O2) to give carbon dioxide  (CO2) and water  (H2O).    If 16 

grams of methane  and 32  grams of oxygen  react  (until one of  the  reactants  is  completely 

consumed) and 11 grams of carbon dioxide are produced, the percent yield of carbon dioxide 

in this reaction is 

  

A.  2.5 % 

B.  5.0 % 

C.  25% 

D.  50% 

E.  75% 

11. The following reactions are used for the determination of dissolved oxygen in water samples. 

2MnSO4(aq) + 4NaOH(aq) + O2(aq)   2MnO2(s) + 2Na2SO4(aq) + 2H2O(l) 

MnO2(s) + 2H2SO4(aq) + 2NaI(aq)   MnSO4(aq) + I2(aq) + Na2SO4(aq) + 2H2O(l) 

I2(aq) + 2Na2S2O3(aq)   Na2S4O6(aq) + 2NaI(aq) 

 

If 2 millimoles of Na2S2O3(aq) are used in the titration of I2(aq) in the last equation, how many 

millimoles of O2(aq) are initially present in the sample? 

 

A. 0.5 

B. 1 

C. 4 

D. 2 

 

 

Page 31: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

30

12. What is the concentration of bromide ion in a solution prepared by adding 40.0mL of water to 

125mL of 0.96M aqueous iron(III) bromide? 

 

A. 3.0M 

B. 9.0M 

C. 0.73M 

D. 2.2M 

13. 100.0 grams of A when mixed with 80.0 grams of B gives 180.0 grams of C.  In an experiment 

20.0 g of A is mixed with 10.0 g of B.  How many grams of C will be formed? 

 

A. 10.0 

B. 20.0 

C. 30.0 

D. 18.0 

E. 22.5 

 

 

14. What  is  the molar mass  of  chlorophyll which  contains  2.72%  (m/m) magnesium  and  it  is 

known that there is one magnesium atom per chlorophyll molecule? 

 

A. 66.1 g/mol 

B. 1120 g/mol 

C. 272 g/mol 

D. 894g/mol 

E. 6610g/mol 

 

 

Page 32: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

31

15. What mass of xenon tetrafluoride has the same number of fluorine atoms as 25.0g of oxygen 

difluoride ?  

 

A. 1.92g        

B. 12.5g       

C. 48.0g       

D. 96.0g       

E. 192g 

Page 33: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

32

Short Answer:  

16.  A. How many moles of Al(OH)3 are formed by the reaction of 500.0mL of 0.183M NaOH (aq) 

with 10.0g Al(NO3)3.  The molar mass of Al(NO3)3 is 213g/mol. 

 

 

 

 

B. Write the balanced equation for the reaction which occurs when calcium carbonate is used 

to neutralize a sulphuric acid spill.  Include all states. 

 

 

 

C. Suppose that a 1.00g sample of a hair bleaching solution labelled “6% hydrogen peroxide”, 

H2O2(aq),  is  titrated with  0.0175M  KMnO4  (aq)  in  acidic  solution.    If  the  titration  requires 

42.8mL of KMnO4(aq) to react with all of the H2O2(aq), calculate the mass percentage of the 

H2O2(aq) solution.  The titration equation is: 

5H2O2(aq) + 2KMnO4(aq) + 6HCl (aq) → 2MnCl2(aq) + 2KCl(aq) + 8H2O(l) +5O2(g) 

Page 34: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

33

17.  In the textile industry, chlorine is used to bleach fabrics. Any of the toxic chlorine that 

remains after the bleaching process is destroyed by reacting it with a sodium thiosulfate 

solution. Na2S2O3 + 4 Cl2 + 5 H2O (l) = 2 NaHSO4 (aq) + 8 HCl(aq) 

27 kg of Na2S2O3 reacts with 10 kg of Cl2 and 50 kg of H2O. 

 

The final concentration of sodium hydrogen sulfate in 56 litres of the final solution is 0.625 M. 

What is the percentage yield? 

Solution: Na2S2O3 + 4 Cl2 + 5 H2O (l) = 2 NaHSO4 (aq) + 8 HCl(aq) Mass (kg): 27 10 50 Molar mass (g/mol) 158.1 70.9 18.02 kmol: 0.1708 0.141 2.77 ratio: 0.1708 0.03525 0.555 Cl2 is the limiting reactant and the theoretical yield of NaHSO4 =

42

2

20.1414

NaHSOkmol ClCl

× = 0.0705 kmol NaHSO4 = 70.5 mol NaHSO4

The actual yield of NaHSO4 = 56 L×0.625 M = 35 mol

Page 35: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

34

II. Atoms and Light 

2.1 Chapter Summary 

 

Frequency (ν): the number of wave crests passing a point in space in one second 

Wavelength (λ): the distance between successive crests in a wave 

Amplitude: the height of the wave which is related to the intensity of the light (in a light wave) 

Photoelectric Effect: Ephoton = hνphoton, the energy of a photon of light equals the frequency of the 

photon times Planck’s constant (6.626 x 10‐34 J.s). 

Dual Nature of Light: light has some properties of waves and some properties of particles.  

Excited State: when an atom absorbs a photon, the atom is transformed to a higher energy state, 

atoms in excited states subsequently give up their excess energy to return to lower energy states.   

Ground State: lowest energy state of an atom, which is its most stable state 

Energy of a Hydrogen’s Electron: is restricted to specific values described by the following 

equation: En = −  2

18 J 1018.2n

−× 

Heisenberg’s Uncertainty Principle: position and momentum (mv) of a particle cannot be known 

exactly at the same time. 

Particle in a Box: an electron in a 1‐D box of length L the Energy associated with the nth energy 

level is:  En =  2

22

mL8n h

Quantization of Energy:  orbitals within atoms are quantized, the electrons that are bound to 

these energy levels are also quantized 

Principle Quantum Number: the principle quantum number must be a positive integer: 

n = 1, 2, 3, ….,8, 9, etc. 

Azimuthal Quantum Number: The azimuthal quantum number (l) can be zero or any positive 

integer smaller than n: l = 0, 1, 2, …., (n − 1). 

 

Page 36: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

35

Magnetic Quantum Number: the magnetic quantum number (ml) can have any positive or 

negative integral value between 0 and ±l:  ml = 0, ±1, ±2, …., ±l 

Spin Orientation Quantum Number: spin orientation is quantized:  Electron spin must be 

oriented in one of two ways, labelled “up” or “down”.  The (ms) indexes this behaviour.  The two 

possible values of ms are +½ (up) and −½ (down). 

Orbital Size: each orbital becomes smaller as nuclear charge increases.  As the positive charge of 

the nucleus increases, the electrical force exerted by the nucleus on the negatively charged 

electrons increases, too, and electrons become more tightly bound.  This in turn reduces the 

radius of the orbital. 

Energy: E = hν, Ekinetic =  2

2mu    Wavelength: 

Ehc

=λ     

Speed: c = 3×108 m/s  u = m

Ekinetic2   

Page 37: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

36

2.2 Basic Terms and the Photoelectric Effect 

We need to define the following terms: 

Frequency (ν) is the number of wave crests passing a point in space in one second. 

 

Wavelength (λ) is the distance between successive crests in a wave. 

 

Amplitude is the height of the wave which is related to the intensity of the light (in a light wave).  

Light waves always move through a vacuum at the same speed roughly 3.00 x 108 m/s 

 

For any wave,  its wavelength (in meters) multiplied by  its frequency (in  inverse seconds) equals 

its speed (m/s)  i.e. λν = c 

 

The photoelectric effect shows how the energy of light depends on its frequency and intensity as 

follows: 

1. Below a characteristic  threshold  frequency, ν0, no electrons are observed,  regardless of  the 

light’s intensity. 

2. Above  the  threshold  frequency,  the maximum kinetic energy of ejected electrons  increases 

linearly with the frequency of the light. 

3. Above  the  threshold  frequency,  the  number  of  emitted  electrons  increases with  the  light’s 

intensity, but the kinetic energy per electron does not depend on the light’s intensity. 

4. All metals  exhibit  the  same  pattern,  but  as  Figure  2.1  shows,  each metal  has  a  different 

threshold frequency. 

Figure 2.1 

 

                    

a0ν b0ν  

Frequency of light, ν 

Kin

etic

ene

rgy

ofej

ecte

del

ectro

ns

Page 38: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

37

Question ALERT! A common question is to 

ask the energy and wavelength of the photon 

or electron. 

The photoelectric effect can be summarized by the following equation: 

  Photon energy = Electron kinetic energy + Binding energy 

hv =  Ekinetic (electron) + hv0 

When  a metal  surface  absorbs  a  photon,  the  energy  of  the 

photon  is  transferred  to  an  electron.  Some  of  this  energy  is 

used to overcome the forces that bind the electron to the metal 

(binding energy or work function), and the remainder shows up 

as kinetic energy of the ejected electron. 

Page 39: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

38

2.3 Quantization of Energy 

Quantization means that electrons bound to atoms can have only 

certain specific energy levels.  Niels Bohr showed that the energy of 

the electron in a hydrogen‐like system (one electron species) is 

restricted to specific values:                        

En = − 18 2

2

2.18 10 zn

−×J 

In which n is the energy level and z is the nuclear charge (z = 1 for hydrogen). The negative sign 

means that the energy of the electron in any orbit is lower than it would be if the electron were 

at an infinite distance from the nucleus, where the energy is zero. When the electron is in level n 

=  1,  the  hydrogen  atom  is  in  its  lowest  possible  energy  state,  its  ground  state.  Suppose  an 

electron in level n of an excited hydrogen atom falls back to level m. The energy will be released: 

∆E = 18 2 18 2

182 2 2 2

2.18 10 z 2.18 10 z 1 1( ) 2.18 10 ( )n m m n

− −−× ×

− − − = × −  J. 

 

This amount of energy is carried away by the emission of a photon:  ∆E = hν = hc/λ. 

 

Therefore, 18 2

734 8 2 2 2 2

1 2.18 10 (1) 1 1 1 1( ) 1.097 10 ( )6.626 10 (3 10 / )

E Jhc Js m s m n m nλ

Δ ×= = − = × −

× × m–1 

 

Or  22 2

1 1 11.097 10 ( )m nλ

−= × −  nm–1 

Page 40: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

39

Worked example 2.1 

 

Consider the Bohr model of the hydrogen atom containing one electron. 

A. At what wavelength do you expect the 4→3 transition to emit light in the H‐atom emission 

spectrum? 

 

 

B. One reaction of a chlorofluorocarbon implicated in the destruction of stratospheric ozone is: 

FCCl3 + hν → FCCl2 +Cl  The bond dissociation energy of the C‐Cl bond is 328kJ/mol. What is the frequency (ν) and 

wavelength (λ) of the light necessary to produce the reaction? 

 

Solution: 

A.  22 2

1 1 11.097 10 ( )3 4λ

−= × −  nm–1   

λ = 1875 nm 

 

 

B. Convert the bond energy from kJ per mol to J per bond first. 

E = 328 kJ mol( )=328 × 103 J mol( )

6.022× 1023 mol−1( )= 5.447 × 10−19 J( )

E =hcλ⇒ λ = hc

E=

6.626× 10−34 J ⋅ s( )⋅ 2.998× 108 m s( )5.447 × 10−19 J( )

= 3.647 × 10−7 m( )= 364.7 nm( )

ν =cλ=

2.998 × 108 m s( )3.647 × 10−7 m( )

= 8.220× 1014 s−1 or Hz( )

Page 41: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

40

2.4 Properties of Electrons 

 

There are three main properties of electrons: 

1. Each electron has the same mass and charge 

2. Electrons  behave  as  magnets.    The  magnetic  properties  of  electrons  arise  from  a 

property of spin.  All electrons have a spin constant of ±½ . 

3. Electrons have wave properties as well as particle properties (matter waves, proposed 

by De Broglie). Therefore it can be described similar to light which also share both 

wave and particle properties.  Table 2.1 summarizes the properties of photons of light 

and free electrons. 

 

Table 2.1  Equations for Photons and Free Electrons 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Property  Photon Equation Electron Equation

Energy  E = hν Ekinetic =  2

2mu 

     

Wavelength Ehc

=λ  muh

=λ  

     

Speed  c = 3×108 m/s u = 

mEkinetic2

 

Important Concept ! The table shows the dual wave/particle nature of 

light and matter. 

Page 42: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

41

2.5 Heisenberg’s Uncertainty Principle 

The position and momentum (mv) of a particle cannot be known exactly at the same time. 

ΔpΔx π2h

≥  

 

Particle in a Box:   

 

The “Particle in a Box” is a mathematical representation of the energies of an electron.  Its theory 

is quite complex and although given in course lectures, memorization of it is not necessary.  What 

is important is that since electrons have wave properties, it can be described using wave 

equations as well as the final wave equation solution: 

 

For an electron in a 1‐D box of length L the Energy associated with the nth energy level is:   

En =  2

22

8mLn h

2.6 Quantization and Quantum Numbers 

Since orbitals within atoms are quantized, the electrons that are bound to these energy levels are 

also quantized. That is, free electrons have continuous energy states but bound electrons have 

quantized energy states. 

 

Each quantized property of a bound electron can be identified using a set of quantum numbers. 

The principle quantum number (n) must be a positive integer:  n = 1, 2, 3, ….,8, 9, etc. 

The angular‐momentum  quantum number (l) can be zero or any positive integer smaller than n: l 

= 0, 1, 2, …., (n − 1). 

 

 

 

Page 43: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

42

 

Historically, orbital shapes have been identified with letters rather than numbers.  These letter 

designations correspond to the values of l as follows: 

Value of l  0 1 2 3 4

Orbital letter s  p d f  g

 

The magnetic quantum number (ml) can have any positive or negative integral value between 0 

and ±l:  ml = 0, ±1, ±2, …., ±l 

 

The spin quantum number (ms) can have either of two values, +½ or −½ , which is independent of 

the other three quantum numbers. 

 

A complete description of an atomic orbital requires a set of three quantum numbers, n, l, m and 

a complete description of an atomic electron requires a set of four quantum numbers, n, l, ml, 

and ms, which must meet all the restrictions summarized in Table 2.2.  Any set of quantum 

numbers that does not obey these restrictions does not correspond to an orbital and cannot 

describe an electron. 

 

Table 2.2 − Restrictions on Quantum Numbers for Atoms 

 

Quantum Number  Restrictions  Range 

N  Natural numbers  1, 2, …, ∞ 

L  Whole numbers less than n 0, 1, …, (n − 1) 

ml  Integers between l and −l  −l…−1, 0, +1, …, +l 

ms  Half‐integers, +1/2 or −1/2  −1/2, +1/2 

Page 44: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

43

2.7 Shapes of Atomic Orbitals 

 

2.7.1 Orbital Size 

Orbitals get larger as the value of n increases. 

 

2.7.2 Orbital Shapes 

The quantum number l = 0 corresponds to an s orbital, which  is spherical, with radii and number 

of nodes that increase as n increases. 

 

The quantum number l = 2 corresponds to a d orbital.  A d electron can have any of five values for 

ml (−2, −1, 0, +1, and +2), so there are five different orbitals in each set.  Each d orbital has two 

nodal planes. 

 

2.8 Periodicity of Atomic Properties 

2.8.1 Atomic Radii 

 

Atomic size decreases from left to right and increases from top to bottom of the periodic table. 

Bohr’s diagram must be used in order to compare sizes of ions. 

 

2.8.2 Ionization Energy 

• The minimum amount of energy needed to remove an electron from a neutral atom is called 

the first ionization energy (IE1).  Variations in ionization energy mirror variations in orbital 

stability, because an electron in a less stable orbital is easier to liberate, than one in a more 

stable orbital. 

• First ionization energy increases from left to right across each row and decreases from top to 

bottom of each column of the periodic table. 

• Bohr’s diagram must be used in order to compare second or higher order ionization energies. 

Page 45: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

44

 

2.8.3 Electronegativity 

• The attraction for the electrons in a covalent bond. 

• Electronegativity increases from left to right across each row and decreases from top to 

bottom of each column of the periodic table. 

 

2.8.4 Electron Affinity 

• A neutral atom can add an electron to form an anion. 

• The energy change when an electron is added to an atom is called the electron affinity (EA) 

• Electron affinity tends to become more negative from left to right across a row of the periodic 

table. 

Page 46: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

45

2.9 Practice Exam Questions  

 

Multiple Choice 

1. What is the total energy of one mole of photons of wavelength 285 nm? 

 

A. 6.98×10−19 J 

B. 3.50×10−18 J 

C. 3.15×105 J 

D. 4.20×105 J 

E. 2.11×106 J 

 

 

2. What is the wavelength of light emitted when an electron in a hydrogen atom undergoes a 

transition from the n = 5 to n = 2 level? 

 

A. 663 nm 

B. 833 nm 

C. 546 nm 

D. 521 nm 

E. 434 nm 

 

 

3. The square of the wave function, Ψ2 for an electron in an atom 

 

A. describes the energy of the electron 

B. specifies the momentum of the electron. 

C. gives the probability of finding the electron in a region of space. 

D. is proportional to the velocity of the electron. 

E. is inversely proportional to the distance between the electron and the nucleus. 

 

Page 47: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

46

 

4. Which of the following sets of quantum numbers is not possible? 

 

  n  l  ml  ms 

A.     1  0  0  +1/2 

B.     4  0  0  +1/2 

C.    3  3  −3  −1/2 

D.    2  1  1  −1/2 

E.    2  0  0  +1/2 

 

 

5. In which atom does the 1s orbital have the highest energy? 

 

A. He 

B. H 

C. Li 

D. Be 

E. Ne 

 

 

6. For the n = 5 level of an atom, the number of orbitals having a given value of l is equal to 

 

A. 2l + 1 

B. 2n + 1 

C. 2ml + 1 

D. n + ml 

E. l + ml 

 

l. 

Page 48: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

47

7. What is the ground‐state electronic configuration of the Cu atom? 

 

A. [Ar]3d 94s2 

B. [Ar]3d 95s2 

C. [Ar]3d 104s1 

D. [Kr]4d 105s1 

E. [Ar]4d 95s2 

 

 

8. Which one of the following transitions for the H atom produces radiation of the shortest 

wavelength? 

A. n = 2 to n = 3 

B. n = 3 to n = 2 

C. n = 5 to n = 6 

D. n = 6 to n = 5 

E. n = 2 to n = 1 

 

 

9. The minimum energy for photoemission of electrons from a potassium surface is 3.69 x 10‐19J.  

What is the kinetic energy of electrons emitted from a potassium surface when it is irradiated 

by UV light at 300 nm.  

 

A. 7.60 x 10‐20J 

B. 3.69 x 10‐19J 

C. 2.93 x 10‐19J 

D. 6.62 x 10‐19J 

E. 1.03 x 10‐18J 

6 x 10 –19J ‐ 3.69 x 10‐19J = 2.93 x 10‐19J 

Page 49: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

48

10. Which of the following electron configuration does not correspond to a ground‐state 

configuration of its atom or its ion? 

 

A. S‐2: [Ar]    

B. Ti: [Ar]4s23d2   

C. Br: [Ar]4s23d104p5   

D. Fe+3: [Ar]3d5     

E. V+2: [Ar]4s23d1 

 

Short Answer: 

11. What is the ground state electron configuration of a) the Cr atom? b) the Cu+ ion? 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. How many unpaired electrons are there in the ground state of: the V atom? The Cr+2 atom? 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 50: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

49

III. Fundamentals of Chemical Bonding 

 

3.1 Chapter Summary 

 

Covalent Bond: electrons as shared between the nuclei, the attractive energy between the nuclei 

and electrons exceeds the repulsive energy arising from nuclear‐nuclear and electron‐electron 

interactions 

Lewis Structures: schematic drawings of molecules  

Single Bonds: two shared electrons 

Double Bonds: four shared electrons 

Triple Bonds: six shared electrons 

Formal Charge (FC): the difference between the number of valence electrons in the free atom 

and the number of electrons in the Lewis structure:  

FC  = (Valence electrons of free atom) – (Valence electrons assigned in Lewis structure) 

Valence Shell Electron Pair Repulsion, VSEPR: principle of minimizing electron‐electron repulsion  

Hybridization: combining atomic orbitals to form a special set of directional orbitals  

Alkanes: contain chains of carbon atoms held together by covalent single bonds 

Structural Isomers: when two or more compounds have the same molecular formula but 

different arrangements of atoms 

Steric Number: the sum of an inner atom’s coordination number and the number of its lone pairs 

Coordination Number: the number of other atoms to which an atom is bonded 

Shape: describes how atomic nuclei, not orbitals, are arranged in space 

 

Page 51: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

50

3.2 Overview of Bonding 

• Three bonds within molecules (intramolecular force) 

• Ionic – electrostatic forces which hold ions together 

• Covalent – sharing electrons between atoms 

• Metallic – metal nuclei floating in a sea of electrons 

• In all chemical bonds electrons are shared or transferred between atoms 

 

3.3 Ionic Bonding 

 

3.3.1 Lewis Symbols and octet rule 

• All chemical bonds are formed from a transfer of valence electrons between atoms 

• The electrons involved in bonding are called valence electrons 

• Valence electrons are found in the incomplete outermost orbital of an atom 

• The number of electrons available for bonding are indicated by unpaired dots 

• These symbols are called Lewis symbols 

• Octet rule: we know that s2p6 is a noble gas configuration. We assume that an atom is stable 

when surrounded by 8 electrons (4 electron pairs) 

 

3.3.2 Energetics of ionic bond formation 

• The energy required to separate one mole of ions in an ionic lattice into gaseous ions is called 

the lattice energy ΔHlattice 

• Lattice energy depends on the charge of the ions and the size of the ions 

• The force is given by the equation;    1 22

q qF kd

=  and the magnitude of the lattice energy 

equals   1 2q qU Fd kd

= = .  

• The magnitude of a lattice energy (and the melting point or boiling point of an ionic 

compound) depends directly on the charge on the ions and inversely on the size of ions.  

Page 52: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

51

3.3.3 Born Haber Cycle 

• Thermodynamic cycle that analyzes lattice energy 

 

3.3.4 Size of Ions 

• Ion size is important in predicting lattice energy 

• Cations are smaller that their parents 

• Anions are larger than their parents 

• For ions of the same charge ion size increases down a group 

• All members of an isoelectronic series have the same number of electrons 

• As nuclear charge increases in an isoelectronic series the ions become smaller 

o O2‐> F‐> Na+> Mg2+> Al3+ 

Page 53: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

52

3.4 Covalent Bonding 

• Sharing of electrons to each obtain an octet 

• Each pair of shared electrons constitutes one chemical bond 

 

3.4.1 Multiple bond 

• Possible to share more than one pair between two atoms 

• One shared pair = single bond, e.g. H2 

• Two shared pair = double bond, e.g. O2 

• Three shared pair = triple bond, e.g. N2 

• Generally bond distances decrease as we move from a single through double to triple bonds 

 

3.4.2 Bond polarity and Electronegativity 

• Sharing of electrons does not imply equal sharing of electrons 

• Unequal sharing results in POLAR BONDS 

• Difference in Electronegativity is a gauge of bond polarity 

• ΔE ~ 0 = non polar covalent 

• ΔE ~ 2 = polar covalent 

• ΔE ~ 3 = ionic bonds 

• Positive end in a polar bond is represented by δ+ and the negative end by δ‐ 

 

Page 54: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

53

3.4.3 Drawing Lewis structure 

• Calculate the total number of valence electrons 

• Draw a skeleton structure by connecting the central atom (usually the one closest to the 

centre of the periodic table with the least electronegativity except H) with the surrounding 

atoms. 

• Place the remaining electrons to satisfy the octet rule for the surrounding atoms(except H). 

• Put the remaining electrons on the central atom, use multiple bonds to minimize formal 

charges. 

  FC = [# valence electrons] – [# non‐bonded electrons] – 1/2 [bonded electrons] 

 

3.4.4 Resonance 

• Some molecules not described by Lewis structure 

• Structures with multiple bonds can have similar structures with the multiple bonds between 

different pairs of atoms  

• Common examples are O3, NO3‐, SO4

2‐, NO2 

 

3.4.5 Exceptions to the Octet Rule 

• Three exceptions to this rule 

o Molecules with an odd number of electrons   ClO2, NO and NO2 

o Molecules in which one atom has less than  an octet   BF3, BeF2 

o Molecules in which one atom has more than an octet   atoms across the 3rd period 

PCl5, SF4, AsF6‐, and ICl4

‐ 

Page 55: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

54

Question ALERT! Predict shapes and estimate the bond 

angles 

3.5 VSEPR: Molecular Geometry 

 • VSEPR Theory – is a simple model for predicting molecular geometries, it is based on the idea 

that the valence shell electron pairs are arranged symmetrically about an atom to minimize 

electron pair repulsion 

•  Valence shell electrons are the bonding electrons and the lone pairs  

• Lone pair‐lone pair repulsion is greatest  

• Bonding pair‐bonding pair repulsion is least  

• Lone pair‐bonding pair repulsion is intermediate 

• The molecular geometry takes the one with least 

number of 90o lone pair‐lone pair repulsion:      Electron Arrangement 

class  Hybrid orbital 

used by the cetral 

atom 

Molecular geometry 

AX2  sp  linear 

AX3 

AX2E 

sp2 

 

trigonal planar  

angular (bent)  

AX4 

AX3E 

AX2E2 

sp3 

 

tetrahedral  

trigonal pyramidal 

angular (bent) 

AX5 

AX4E 

AX3E2 

AX2E3 

sp3d 

 

trigonal bipyramidal  

seesaw  

T‐shaped 

Linear 

AX6 

AX5E 

AX4E2 

sp3d2 

 

octahedral  

square pyramidal 

square planar 

Page 56: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

55

3.6 Practice Exam Questions 

 

Multiple Choice 

1. For the Lewis structure below, the formal charge on Cl, N, and O, respectively are: 

  

A. ‐1, 0, +1 

B. ‐1, +1, 0 

C. 0, ‐1, +1 

D. 0, +1, ‐1 

E. 0, 0, 0 

 

 

2. What is the shape of ICl2‐? 

 

A. linear 

B. angular 

C. trigonal planar 

D. T‐shaped 

E. Trigonal bipyramidal 

 

 

3. Which of the following molecules is polar? 

 

A. PCl5 

B. BF3 

C. CS2 

D. SO2 

E. XeF2 

Cl N O

Page 57: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

56

 

4. What type of orbitals best describe the bond between oxygen atom 1 and 2 in the 

peroxyacetic acid? 

 

A. sp2‐sp2 

B. sp3‐sp3 

C. sp2‐sp3 

D. sp‐sp 

E. sp2‐sp 

 

 

5. Estimate the C‐O‐O bond angle in peroxyacetylnitrate.  The structural formula is given below:  

 

A. 90o 

B. <120o but >109.5o 

C. <109.5o 

D. 180o 

E. 120o 

 

 

6.   Which of the following species will contribute resonance structures? 

 

A) BF4–     

B) NO2–  

C) OF2  

D) PCl3 

E) N2F4   

Ans: B) NO2–

Solution:

CH3 C

O

O OH1 2

CH3 C

O

O O N

O

O

Page 58: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

57

IV. The Behaviour of Gases 

 

4.1 Chapter Summary 

 

Average Kinetic Energy ( kineticE ): found by adding all the individual molecular energies and 

dividing by the total number of molecules. The average kinetic energy depends on the 

temperature of the gas: A

kinetic 23

NRTE =  

Ideal Gas: one for which both the volume of molecules and the forces among the molecules are 

so small that they have no effect on the behavior of the gas, PV = nRT 

Units of Pressure: 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101.325 kPa = 1.01325 bar 

Dalton’s Law of Partial Pressures: for a mixture of n ideal gases in a container, the total pressure 

of gas in the container is the sum of pressures that each gas exerts alone,  

Ptotal   =   P1  +  P2  +  P3  + … +  Pn 

Mole Fraction (X): fraction of the number of moles of all substances in the mixture,   

Mole fraction of A = XA = total

A

total

A

PP

nn

=  

Real Gas Equation: 

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

−=

Vna

nbVnRTP  

where nb is a volume correction factor and an2/V2 is a pressure correction factor. 

 

Gases differ from solids or liquids in the fact that they have much more range of motion due to 

the fact that they are not greatly attracted to one another. There’s much more disorder, or 

entropy, in a mole of gas than there is in a 

mole of either a liquid or solid.  This 

freedom of motion allows gas molecules to 

expand and compress quite readily; in fact, 

gases will expand to fill any volume they 

are contained in. 

Page 59: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

58

Important Concept ! Root mean square speed is T and M related but 

average kinetic energy is related to T only. 

4.2 Molecules in Motion  

The kinetic energy of a molecule of a gas is related to its speed:   KE = ½ mu2 

At any given temperature, ALL gases have the same molecular kinetic energy distribution.  Also, 

for any given gas, the kinetic energy increases as temperature increases. 

 

4.2.1 Average Kinetic Energy 

More molecules have the most probable kinetic energy than any other value.  By proportion, 

however, very few molecules actually have the most probable kinetic energy.  This is because any 

sample of gas contains many molecules that move with many different kinetic energies. The 

average kinetic energy ( kineticE ) per molecule can be found by adding all the individual molecular 

energies and dividing by the total number of molecules. The average kinetic energy depends on 

the temperature of the gas:   A

kinetic 23

NRTE =  

If you want to have the average kinetic energy per mole  

of gas molecules simply leave out Avogadro’s number. 

 

4.2.2 Root Mean Square Speed 

The average kinetic energy of a gas particle is represented by 1/2mv2. v2 means the average of 

the squares of the particle velocities. The square root of it is thus called  

root mean square speed:  vrms =  kineticA

2 2 3 32

RT RTEm m N M

= × =    

(M =mNA  is the molar mass of the gas in kg/mol NOT g/mol !) 

 

Page 60: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

59

4.2.3 Graham’s law of effusion 

The relative rates of effusion of two gases at the same temperature and pressure are given by the 

inverse ratio of the square roots of the masses of the gas particles: 

                     2

1

12

MRates of effusion for gasRates of effusion for gas M

=    

4.3 The Ideal Gas Equation 

There are two extremely important assumptions about an ideal gas: 

1. The volume occupied by the molecules of an ideal gas is negligible compared with the volume 

of its container. 

2. The energies generated by forces among ideal gas molecules are negligible compared with 

molecular kinetic energies. 

 

The Ideal Gas Equation describes the macroscopic behavior of an ideal gas and is given by:       

PV = nRT 

 

It is useful to know the conversion factor of  pressure: 

1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101.325 kPa = 1.01325 bar 

 

Page 61: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

60

Question ALERT! Understand the relationship based on PV=nRT and link them with different graphs, either a linear or inverse 

plot. 

4.4 Applying the Ideal Gas Equation 

 

4.4.1 Variations on the Gas Equation 

During chemical and physical transformations, any of the four 

variables in the ideal gas equation (P, V, n, T) may change, and 

any of them may remain constant.  A good strategy for 

organizing gas calculations is to determine which variables do 

not change and rearrange the gas equation to group them all on 

the right.  Here are some examples: 

 

For a fixed amount at constant temperature, PV = nRT = constant 

For a fixed amount at constant volume,  VnR

TP=  = constant 

For a fixed amount at constant pressure,  P

nRTV=  = constant 

For a fixed volume at constant temperature,  VRT

nP=  = constant 

For a fixed pressure at constant temperature,  P

RTnV=  = constant 

 

4.4.2 Determination of Molar Mass 

The ideal gas equation can be combined with the mole‐mass relation to find molar mass of an 

unknown gas:  PV = nRT   (Ideal gas equation)    and    n = MM

m (Mole‐mass relation)  

will give:     PV

mRTMM =  

Page 62: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

61

4.5 Gas Mixtures 

 

4.5.1 Dalton’s Law of Partial Pressures 

For a mixture of ideal gases in a container, the total pressure of gas in the container is the sum of 

pressures that each gas exerts alone. 

         Ptotal   =   P1  +  P2  +  P3  + … +  Pn    =  (n1  +   n2  +  n1  +  …  +  nn)RT / V 

Since RT/V is the same for each gas in the container, the pressure of an ideal gas mixture is 

determined by the total number of gas particles, not by the identity of each component in the 

mixture. 

 

4.5.2 Describing Gas Mixtures 

The way of stating composition in fractional terms is the mole fraction (X): 

Mole fraction of A = XA = total

A

total

A

PP

nn

=       

Which gives PA = XAPtotal. 

 

Page 63: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

62

Important Concept ! 1. Why is the pressure correction 

added?  (the attractions make the real gas P smaller) 

2. Why is the volume correction subtracted? (particles of a real gas take up some space) 

3.  a  and b tend to be greater for larger molecules. 

4.  A real gas would behave like an ideal one at high temperature and low pressure.

4.6 Real Gases 

 

Experiments have shown that the ideal gas law describes 

the behavior of a real gas quite well at moderate 

pressures and temperatures but not so well at high 

pressures and low temperatures.  At these latter 

conditions, the two assumptions(see 4.3. no 

interparticle interactions and zero volume for the gas 

particle) that are the basis of the ideal gas equation 

break down and we have a REAL gas that must be 

described using a REAL gas equation: 

( )2

2

anP V nb nRTV

⎛ ⎞+ − =⎜ ⎟

⎝ ⎠ 

where b is a volume correction factor because the volume of a real gas at high pressure is larger 

than predicted by the ideal gas law and a is a pressure correction factor because the attractive 

forces between the particles become more important at high pressures. 

Values of some van der Waals constants are listed in Table below:  

 

     

 

GAS  a (L2 atm mol−2)  b (L mol−1)

He  0.034  0.0237 Ar  1.35  0.0322 CO2  3.59  0.0427 C2H4  4.53  0.0571 H2O  5.46  0.0305 NH2  4.17  0.0371 Cl2  6.49  0.0562 

Page 64: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

63

4.7 Practice Exam Questions  

 

Multiple Choice 

1.   Which graph represents the plot of pressure vs. temperature in degrees Celsius for an ideal 

gas at constant volume and number of moles? 

 

A.        

 

B.            

 

C.      

 

D.      

 

E.   

 

 

2.   Which graph represents the plot of the product of pressure and volume vs. volume for an 

ideal gas at constant temperature and number of moles? 

 

A.       

 

B.       

 

C.       

 

D.       

 

E.   

 

Page 65: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

64

 

3.  Which of the following is true of an ideal gas: 

 

A.     

 

 

 

 

B.  

 

 

 

 

C.    

 

 

 

 

D.   

 

 

 

 

E.  

 

 

 

the origin 

 

Page 66: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

65

4.  Which of the following gases would have a density of 1.39 g/L at 15oC and 780 mmHg? 

 

A. Ar     

B. N2      

C. CO2     

D. O2      

E. none of above 

 

 

5.   Which of the following statements regarding the kinetic‐molecular theory of ideal gases is 

incorrect? 

 

A. gas molecules collide with each other randomly 

B. the size of gas molecules is negligible 

C. at the same temperature, the average kinetic energy is the same for different gases 

D. attractive and repulsive forces among gas molecules are negligible 

E. at the same temperature, the kinetic energy of all the molecules is the same for the same   

gas 

 

Answer: E 

6.   The average speed of He gas at an unknown temperature is found to be 1200 m/s.  What is 

the average speed of H2O gas at this same temperature? 

   

A. 1200 m/s 

   B. 267 m/s 

  C. 400 m/s 

  D. 2550 m/s 

  E. 566 m/s 

 

Page 67: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

66

7.   Consider three identical flasks at room temperature and pressure.  Flask A contains NH3 gas, 

flask B contains NO2 gas, and flask C contains N2 gas.  Which contains the largest mass of 

molecules? 

 

A. flask A 

B. flask B 

C. flask C 

D. all are the same 

E. not enough information to solve this problem 

 

 

8.   Which of the following gases is likely to behave the least like an ideal gas at room 

temperature and pressure and which is most likely to behave as an ideal gas? 

i.  methane   ii. ethane  iii. diethyl ether  iv. carbon dioxide  v. hydrogen 

 

A. (iv) is least likely to behave as an ideal gas and (v) most likely 

B. (v) is least likely to behave as an ideal gas and (i) most likely 

C. (iii) is least likely to behave as an ideal gas and (v) most likely 

D. (i) is least likely to behave as an ideal gas and (iv) most likely 

E. (iii) is least likely to behave as an ideal gas and (i) most likely 

 

 

9.   A mixture of helium and argon contains 3 moles of He for every 2 moles of Ar.  The partial 

pressure of Ar is 

 

A. 2/3 of the total pressure 

B. 1/3 of the total pressure 

C. 3/5 of the total pressure 

D. 1/2 of the total pressure 

E.  2/5 of the total pressure 

Page 68: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

67

10.  The root‐mean‐square speed of a nitrogen molecule at 1000°C in units of m/s is 

 

A. more than 1000 

B. between 900 and 1000 

C. between 500 and 900 

D. between 300 and 500 

E. less than 300 

 

 

11. Which of the following is not a unit of pressure? 

 

A. Torr 

B. mm Hg 

C. N/m 

D. Pa 

E. bar 

 

 

12.  The “ideal gas” 

 

A. is a good model for gas behaviour at high pressure and high temperature. 

B. is a good model for gas behaviour at high pressure and low temperature. 

C. is a good model for gas behaviour at low pressures and high temperature. 

D. is a good model for gas behaviour at low pressure and low temperature. 

E. has a pressure that varies inversely with its volume at different temperatures. 

each other much, making the gas behave in an ideal fashion. 

Page 69: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

68

13. Consider two 1 L flasks, one containing oxygen, the other containing methane (CH4), each at 

room temperature and pressure.  Which of the following statements is NOT true regarding 

these gases? 

 

A. The gases in each flask have the same density 

B. Each flask contains the same number of molecules 

C. The gases in each flask have the same average kinetic energy 

D. The molecular kinetic energy distributions are different 

E. The root mean square speeds are different. 

ass. 

 

14. In a 2.00 L flask at 300 Co , 3.00 g of chlorine and 4.82 g of fluorine reacted completely to form 

an unknown gaseous product.  At the end of the reaction, the total pressure in the flask was 

2.00atm.  The product of the reaction has to be 

 

A. FCl 

B. FCl3 

C. ClF3 

D. F2Cl6 

E. Cl2F6 

 

 

Page 70: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

69

15. A vessel of unknown volume contains an ideal gas at 0.980 atm.  When a portion of the gas is 

withdrawn and adjusted to a pressure of 1.00 atm at the same temperature, it is found to 

occupy a volume of 35.0 cm3.  It is also found that the pressure of the gas remaining in the 

vessel has dropped to 0.855 atm.  What is the volume of the vessel? 

 

A. 1.17 L 

B. 0.410 L 

C. 0.360 L 

D. 0.280 L 

E. 4.09 L 

Page 71: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

70

Short Answer:  16.  A mixture of Ar and N2 gases have a density of 1.413 g/L at STP. What is the mole fraction of 

each gas?               17.  15.0 moles of a gas in a 2.00 L container exert a pressure of 151 atm at 25.0oC. Is this an ideal 

gas?   

Page 72: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

71

18.  A sample of butane gas C4H10 of unknown mass is contained in a vessel of unknown volume at 26.8°C and a pressure of 560 mmHg.   To this vessel 8.68 g of Neon gas are added  in such a way that no butane is lost from the vessel.  The final total pressure in vessel is 168 kPa at the same temperature 26.8°C.  What is the volume of the vessel and what is the mass of butane gas? 

                   19.  A  constant  volume  vessel  contains  12.5  g  of  a  gas  at  21oC.  If  the  pressure  is  to  remain 

constant as the temperature is raised to 210oC, how many grams of gas must be released?

Solution: PV1 = nRT1 PV2 = nRT2

2 2

1 1

273 210V 273 21V T

T+

= =+

= 1.643

V2 = 1.643 V1 This V2 is the total volume at 210oC. The amount of gas remaining in the container at 210oC

would be: 2

12.5 gV

(V1) = 1

12.51.643

gV

(V1) = 7.61 g

12.5 – 7.6 = 4.9 g of the gas must be released.

Page 73: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

72

V. Solids, Liquids, Solutions and Their Properties ‐ Effects of Intermolecular Forces 

 

5.1 Chapter Summary 

 

Dispersion Forces: describe the attraction between the negatively charged electron cloud of one 

molecule and the positively charged nuclei of neighbouring molecules  

Dipolar Forces: describe the attraction between the negatively charged end of a polar molecule 

and the positively charged ends of neighbouring polar molecules  

Hydrogen Bonding: involves lone pairs of electrons on an electronegative atom of one molecule 

and a polar bond to hydrogen in another molecule, they are confined to molecules that contain 

O, N, and F atoms. 

Polarizability: the ease with which the electron clouds are distorted  

Molecular Solid: molecules in molecular solids are held in place by the types of forces:  dispersion 

forces, dipolar interactions, and/or hydrogen bonds 

Metallic Solid: atoms in metallic solids are held in place by delocalised bonding 

Network Solid: contains an array of covalent bonds linking every atom to its neighbours 

Ionic Solid: contains cations and anions, attracted to one another by coulombic interactions 

Close‐Packed Structure: a solid is most stable when each atom, molecule, or ion has as many 

neighbours as possible, thus maximizing intermolecular attractions  

Phase Diagrams: show how the stability of a phase depends on temperature and pressure, it is a 

P‐T graph that shows the ranges of temperature and pressure over which each phase is stable 

 

Page 74: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

73

5.2 Types of Intermolecular Forces 

 

force  Strength  Characteristics 

Ion‐dipole  Moderate (10‐50 kJ/mol)  Occurs between ions and polar solvents 

Dipole‐dipole  Weak (3 ‐ 4 kJ/mol)  Occurs between polar molecules 

London dispersion  Weak (1 ‐ 10 kJ/mol)  Occurs between all molecules; strength 

depends on size, polarizability 

Hydrogen bond  Moderate (10‐40 kJ/mol)  Occurs between molecules with O‐H, N‐H, and 

F‐H bonds 

 

5.3 Forces in Solids 

The  molecules  (or  atoms,  for  noble  gases)  of  a  molecular  solid  are  held  in  place  by  the 

intermolecular  forces:    dispersion  forces,  dipolar  interactions,  and/or  hydrogen  bonds.    The 

atoms of a metallic solid are held  in place by delocalised bonding.   A network solid contains an 

array of covalent bonds linking every atom to its neighbours.  An ionic solid contains cations and 

anions, attracted to one another by ionic bonds. 

 

Solid type  Molecular  Molecular  Molecular  Metallic  Network  Ionic Attractive    Forces 

Dispersion  Dispersion + dipolar 

Dispersion + dipolar + H bonding 

Delocalized Bonding 

Covalent  Ionic bonds

Energy (kJ / mol) 

0.05 – 40  5 – 25  10 – 40  75 – 1000  150 – 500  400 – 4000 

Example  Ar  HCl  H2O  Cu  SiO2  NaCl Melting Point (K) 

84  158  273  1357  1983  1074 

Molecular Picture 

  

 

    

Page 75: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

74

Question ALERT! A common question is to ask the order of melting 

and boiling points. 

Many properties of liquids (viscosity, surface tension, melting point, and boiling point) and solids 

(melting point) are related to the  intermolecular forces. It  is  important to recognize the relative 

importance of  different  types  of  intermolecular  forces  and  to 

compare the relative strength of  different kinds of forces. 

Strategy  to  find  the  order  of  melting  or  boiling  points  of 

different substances:  

 

Eg.  Arrange  the  following  in  the  decreasing  order  of  their 

melting points NaCl, KCl, HCl, HF, F2, Ne, MgO.  

 

Step 1. Group substances into two: group 1 with high mp/bp and group 2 with low mp/bp. 

Covalent network (diamond and  quartz) and ionic compounds (made of metal and nonmetal) are 

in  group  1  because  they  all  have  high mp/bp. Molecular  compounds  (made  of  nonmetal  and 

nonmetal) are in group 2 because they all have low mp/bp.  

NaCl, KCl, and MgO are in group 1 and HCl, HF, F2, and Ne are in group 2. 

 

Step 2. Compare the relative mp/bp for ionic compounds in group 1 based on the following two 

rules in order: 

 

Rule 1. Higher the charge of the ions stronger the ionic bond and higher the mp/bp; 

Rule 2. Larger the size of the ions weaker the ionic bond and lower the mp/bp. 

 

MgO has charged particles Mg2+ and O2–  and it has the highest mp/bp based on the rule 1. K+ is 

bigger than Na+ and NaCl has higher mp/bp than KCl based on the rule 2. 

Therefore, the increasing order of mp/bp for this group is: KCl<NaCl<MgO. 

 

Page 76: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

75

Step 3. Compare the relative mp/bp for molecular compounds in group 2 based on the following 

three rules in order  

 

Rule  1.  A  compound with  hydrogen  bond  (containing  O‐H,  N‐H,  or  F‐H  bond) would  have  a 

relative high mp/bp as long as the molar masses are not very different 

Rule 2.  The compound with relatively high molar mass would usually have higher mp/bp because 

of the relatively greater London forces due to higher polarizability) 

Rule 3. The polar molecule will have  relatively higher  intermolecular  forces  than  the nonpolar 

one when they have similar molar masses. 

 

HF has the highest mp/bp in group 2 based on the rule 1 because it has hydrogen bond.  

Ne has the  lowest mp/bp  in group 2 based on the rule 2 because  it has the  lowest molar mass 

and weakest London forces. 

 

HCl has relatively higher mp/bp than F2 based on the rule 3 because they have similar molar mass 

but HCl has dipole forces in addition to London forces. 

The decreasing order of their melting points is: MgO> NaCl> KCl> HF > HCl > F2> Ne.  

Page 77: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

76

Important Concept!  Understand how to derive this table  

5.4 Close‐Packed Crystals 

A solid is most stable when each atom, molecule, or ion has as many neighbours as possible, thus 

maximizing  intermolecular attractions.   An arrangement that accomplishes this  is called a close‐

packed structure. 

    

  

 

Summary of the Three Kinds of Packing for Spheres 

 

 

 

Unit cell  Primitive cubic  Body centered cubic Face centered cubic 

Structure  Simple cubic  Body centered cubic Cubic closest 

packed 

Stacking pattern  a‐a‐a‐a‐a‐  a‐b‐a‐b‐  a‐b‐c‐a‐b‐c‐ 

Coordination number  6  8  12 

Atom(s) per unit cell  1  2  4 

Atomic radius (r) and 

length of unit cell (a) 

2r = a  4 3r a=   4 2r a=  

Packing efficiency 

calculation 

334 52%

3r aπ÷ =

3342 68%

3r aπ

× ÷ =3

344 74%3r aπ

× ÷ =

Density  

calculation 

3

A

MM aN

÷   32A

MM aN

× ÷   34A

MM aN

× ÷  

Examples  Po only  Na, Fe,  

and 14 others 

Ag, Cu,  

and 16 others 

Page 78: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

77

5.5 Phase Diagrams 

 

Phase diagrams show how the stability of a phase depends on temperature and pressure.  That is, 

a phase diagram  is a map of  the pressure‐temperature world showing  the phase behavior of a 

substance.  

 

The  phase  diagram  for  water,  shown  in  Figure  below,  illustrates  the  features  for  a  familiar 

substance. The figure shows that liquid water and solid ice coexist at the normal freezing point, T 

= 273.15 K at P = 1.00 atm. Liquid water and water vapor coexist at the normal boiling point, T = 

373.15 K and P = 1.00 atm. The triple point of water occurs at T = 273.16K and P = 0.0060 atm. 

The figure shows that when P is lower than 0.0060 atm, there is no temperature at which water is 

stable as a liquid.  At low pressure, ice sublimes but it does not melt.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The dashed lines on the phase diagram for water show two paths that involve phase changes for 

water.    The  horizontal  dashed  line  shows  what  happens  as  the  temperature  is  changed  at 

constant pressure of 1 atm and the dashed vertical line shows what happens as the pressure on 

water  is  reduced  at  constant  temperature  of  298  K.  The  ice/water  line  bends  to  the  left, 

indicating  that  the melting  point  is  decreased  as  the  pressure  is  increased.  Notice  that  the 

liquid/gas boundary line abruptly ends at the critical point, where the two phases blend into each 

other  to  form  a  supercritical  fluid  that  is neither  true  liquid nor  true  gas. No distinct physical 

phase change occurs on going beyond the critical point. For water, the critical temperature Tc = 

374.4oC and the critical pressure Pc = 217.7 atm. 

fp (273.15 K) bp (373.15 K)

tp (0.0060 atm, 273.16 K)

298 K

Temperature, T

Pres

sure

, P 1 atm

Solid Liquid

Vapor

The phase diagram for water. Arrows indicate the triple point (tp), normal freezing point (fp), and normal boiling point (bp).

Page 79: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

78

5.6  Solutions and Colligative Properties   

5.6.1 vapour pressure of a pure substance. 

 

Experiments showed that the pressure P, enthalpy of vaporization, �Hvap, and temperature T are 

related, P = A exp (‐ �Hvap / R T)  or ln P = –  �Hvap / (RT) + C 

Where A and C are constants characteristic of a given liquid.  This is known as the Clausius‐ 

Clapeyron equation, which allows us to estimate the vapor pressure at another temperature.  

 

5.6.2 Vapour pressure lowering of solutions: Raoult’s Law 

 

For a solution containing a nonvolatile solute:  

The vapour pressure of the solution, Psoln = Psolv Xsolv  

The vapour pressure lowering, ∆Psoln = Psolv Xsolute   

A solution of an ionic compound usually requires a van’t hoff factor (i) to count for the partial 

dissociation of ionic compounds. 

For a solution containing a volatile solute:  

The total vapour pressure of the solution is 

 Ptotal = PA + PB = PoA XA + P

oB XB   

 

5.6.3 Boiling point elevation and freezing point depression of solutions 

 

The boiling point elevation, ∆Tb = Kb m i 

The freezing point depression, ∆Tf = Kf m i 

 

5.6.4 Osmosis and osmotic pressure 

 

Osmosis (the migration of solvent molecules through a semipermeable membrane) occurs when 

solvent and solution are separated by the membrane.  Π = iMRT 

Page 80: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

79

5.7 Practice Exam Questions   

Multiple Choice 

1. Consider the following molecules, all with molecular formula C6H14: 

1       

 

 

 

3        

 

 

 

 

Which has the lowest boiling point? 

 

A. All have the same boiling point because they have the same molecular formula. 

B. 1 

C. 4 

D. 2 

E. 3 

 

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

CH3CH2CH2CHCH3

CH3

CH3CH2CHCH2CH3

CH3

CH3CH2CCH3

CH3

CH3

Page 81: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

80

2.   The quantity ln (Pvap) is plotted as a function of I/T for both water and acetone.  Which ONE of 

the following is TRUE? 

 

A.   The plots are steeply rising curves because vapour pressure increases with 

  temperature. 

B.   The plots are straight lines with the same slopes and y‐intercepts. 

C.   The plots are straight lines and the slope of the plot for water is steeper than 

  for acetone. 

D.   The plots are straight lines and the slope of the plot for acetone is steeper than 

  for water. 

E.   The plots are straight lines with the same slopes but different y‐intercepts. 

 

 

3.   Which of the following substances should have the lowest boiling point? 

 

A. Na2S 

B. HF 

C. NH3 

D. N2 

E. H2O 

 

Page 82: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

81

4.   Which substance in each pair is more likely to boil at higher temperature? 

 

A. CH3CH2CH2CH2CH3 or CH3CH2CH2CH3 

B. CH3OCH3 or H2O 

C. He or Xe 

D. CH3OH or CF4 

Solution: (a) CH3CH2CH2 CH2CH3

5.   Which ONE of the following statements about the solid‐liquid‐vapour phase diagram shown 

below is FALSE? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A.  Point B represents a melting point for the substance. 

B.  C represents the triple point. 

C.  The liquid phase boils at point D. 

D.  K represents the normal boiling point for this substance. 

E.  There are different phases present at point B than at point M. 

 

D

M

K C

B

Solid

liquid

Vapour

Pres

sure

(atm

)

Temperature (K)

1.0

Page 83: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

82

6.   Which ONE of the following decreases as the strength of the attractive intermolecular forces 

increases? 

 

A. The heat of vaporization 

B. The normal boiling point 

C. The extent of deviations from the ideal gas law 

D. The sublimation temperature of the solid 

E.  The vapor pressure of a liquid 

 

 

7.   The density of a solid phase of a substance is 0.90 g/cm3 and the density of the liquid phase is 

1.0 g/cm3.   The phase diagram for such a substance suggests that an increase in  

pressure     . 

 

A. lowers the freezing point 

B. raises the freezing point 

C. lowers the boiling point 

D. raises the triple point 

E. lowers the triple point 

 

 

8.   When  a  nonvolatile  solute  is  added  to  a  volatile  solvent,  the  solution  vapour  pressure 

__________,  the  boiling  point  ___________,  the  freezing  point  ____________,  and  the 

osmotic pressure across a semipermeable membrane ___________. 

 

A. decreases, increases, decreases, decreases 

B. increases, increases, decreases, increases 

C. increases, decreases, increases, decreases 

D. decreases, increases, decreases, increases 

E. decreases, decreases, increases, decreases 

Page 84: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

83

9.   Thyroxine  is  an  important  hormone  that  controls  the  rate  of metabolism  in  the body.   At 

25°C, an osmotic pressure of 109 mmHg  is recorded for a 10.00 mL solution containing 45.5 

mg of thyroxine.  What is the molar mass of thyroxine? 

 

A. 5.90×105 g/mol 

B. 7.77×102 g/mol 

C. 2.33×103 g/mol 

D. 2.85×102 g/mol 

E. 3.76×103 g/mol 

 

 

10.  The phase diagram for a certain substance is shown below.  At which of the following values 

of T and P is the substance a pure liquid? 

 

A.  T = 8°C, P = 1 atm 

B.  T = 10°C, P = 0.5 atm 

C.  T = 70°C, P = 1.2 atm 

D.  T = 80°C, P = 1atm 

E.  T = 10°C, P = 1atm 

 

 

 

Answer: C 

Solution: On the diagram, the left portion 

is solid, the central portion is liquid and 

 

 

 

 

 

10

70

0.5

0

1

T (°C)

P (a

tm)

−50

Page 85: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

84

Short Answer: 

 

11.  In each of the following groups of substances, pick the one that has the given property. Justify 

each answer. 

 

1) highest boiling point: HCl, Ar, F2 

 

 

2) highest freezing point: H2O, NaCl, HF 

 

 

3) lowest vapor pressure at 25oC: Cl2, Br2, I2 

 

 

4) lowest freezing point: N2, CO,  CO2  

 

 

5) lowest boiling point: CH4, C2H6, C3H8 

 

 

6) highest boiling point: HF, HCl, HBr 

 

 

7) lowest vapor pressure at 25oC: C3H8, (CH3)2CO,  C3H7OH 

 

Page 86: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

85

12. 90.0 g of a protein are dissolved  in 2.00 L of aqueous solution.   The osmotic pressure of the 

solution at 25 Co  is 12.7 torr. 

 

A.  What is the van’t Hoff factor for a normal protein? 

 

 

 

B.  Calculate the molarity of the protein solution? 

 

 

 

 

 

 

 

 

C.  Calculate the molar mass of the protein (in units of g/mol). 

 

 

 

 

Page 87: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

86

13. Liquids A and B, form ideal solutions.  A solution of A and B is prepared at 300 K in which the 

mole  fraction of A  is 0.256.    In  the vapor phase,  in equilibrium with  this solution,  the mole 

fraction of A is 0.318 and the total pressure is 673 torr. 

 

A.  Calculate the partial pressures of A and B in the vapor phase. 

 

 

 

 

 

 

B.  Calculate the vapor pressures of pure A and pure B at 300 K. 

 

 

 

 

 

 

 

C.    Provide,  in  terms  of  intermolecular  interactions,  three  reasons  that may  explain  the 

difference between the vapor pressures of pure A and pure B. 

 

Page 88: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

87

14. The radius of a silver atom is 144 pm and the density of crystalline silver is 10.6 g/cm3. What 

type of cubic close‐packed crystal structure should crystalline silver have? 

3 = 2(107.8682g/6.022x1023)/10.6 g/cm3 a = 3.23x10–8 cm = 323 pm From the radius formula: 4r = a (the right triangle has one leg of a, another leg of a, and the hypotenuse of 4r) r = = x323 pm/4 = 140 pm This doesn’t matches the radius given.

Page 89: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

88

VI. Kinetics: Mechanisms and Rates of Reactions 

 

6.1 Chapter Summary 

Reaction Mechanism: the exact molecular pathway that starting materials follow on their way to 

becoming products 

Rate‐Determining Step: the slowest elementary step in a mechanism  

Rate Law: links the rate of a reaction with the concentrations of the reactants through a rate 

constant (k) 

First‐Order Rate Law: Rate = k[A], where A is a reactant in the overall reaction, this can be 

converted to  kt=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛[A][A]

ln 0  

Half‐Life (t1/2), 1st Order: when half the original concentration has been consumed,  

[A] = 0.5[A]0,  k

t 2ln2/1 =  

Second‐Order Rate Expression: Rate = k[A]2,   this can be converted to  kt=−0[A]

1[A]1

 

Bimolecular elementary reaction: A + B  →  products     Elementary rate = k[A][B] 

Unimolecular elementary reaction: C  →  products     Elementary rate = k[C] 

First Step is Rate‐Determining: the predicted rate law for the overall reaction is the rate 

expression for that first step 

Activation Energy (Ea): energy barrier, the minimum energy that must be supplied before the 

reaction can occur 

Page 90: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

89

Activated Complex: the molecular arrangement at the point of highest energy along the energy 

level diagram  

Temperature and Rate: the rate of reaction increases with temperature. 

Arrhenius Equation:  /RTEaAek −=  or  RT

EAln kln a−=

 

Catalyst: functions by changing the mechanism of a reaction in a manner that lowers activation 

energy barriers, it is not part of the overall stoichiometry of the reaction and is not consumed as 

the reaction proceeds 

Page 91: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

90

Question ALERT! A common question is to derive the rate law and 

calculate k. 

6.2 Rates of Chemical Reactions 

 

A Macroscopic View:  Concentration Changes 

 

In order to measure the rate of a reaction, the concentration of a particular compound is 

monitored as a function of time.  For a reaction of the form  

a A + b B  → d D + e E, the rate expressions are related as follows: 

 

Reaction rate  =  ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

ΔtΔ[A]

a1

 =  ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

ΔtΔ[B]

b1

 =  ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

ΔtΔ[D]

d1

 =  ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

ΔtΔ[E]

e1

 

 

 

6.3 Concentration and Reaction Rates 

 

Rate Laws 

 

A rate law links the rate of a reaction with the concentrations 

of the reactants through a rate constant (k):  Rate = k[A]y[B]z 

These exponents (y and z) are called the orders of the reaction. 

The sum of the exponents is known as the overall order of the 

reaction.  A rate law must always be determined by conducting 

experiments; it can never be derived from the stoichiometry of 

the overall chemical reaction. 

Page 92: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

91

Important Concept!  Understand how to derive this table and apply the concepts to solve problems. Notice that the differential equation is used to deal with rates and the integrated equation is used to solve time.

6.4 Experimental Kinetics   Order  0th order   First order  Second order Rate law  Rate = k  Rate = k[A]  Rate = k[A]2 Unit of k  Ms–1  s–1  M–1s–1 [    ] vs time  [A] = –kt +[A]o  ln [A] = –kt +  

              ln [A]o  1 1

[ ] [ ]o

ktA A

= +  

Half life  [ ]2

oAk

 

  

ln 2k

 1

[ ]ok A 

Linear plot  [A] 

                      t  

ln [A]                                                      t 

[A]  

  

  

 

                   t 

Page 93: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

92

6.5 Linking Mechanisms and Rate Laws 

 

6.5.1 Reaction Mechanism 

Each reaction consists of a sequence of molecular events called a reaction mechanism. 

A reaction mechanism is the exact molecular pathway that starting materials follow on their way 

to becoming products. 

 

6.5.2 The Rate‐Determining Step 

The slowest elementary step in a mechanism is called the rate‐determining step.  The rate‐

determining step governs the rate of the overall chemical reaction because no net chemical 

reaction can proceed faster than its slowest step. 

 

The mechanism of any chemical reaction has the following characteristics: 

 

1)   The sum of the individual steps in the mechanism must give the overall balanced chemical 

equation.  Sometimes a step may occur more than once in the mechanism. 

2)   The reaction mechanisms must be consistent with the experimental rate law. 

 

Bimolecular elementary reaction:   

A + B  →  products     Elementary rate = k[A][B] 

 

Unimolecular elementary reaction:   

C  →  products     Elementary rate = k[C] 

Page 94: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

93

6.6 Reaction Rates and Temperature 

 

6.6.1 Activation Energy 

In  almost  all  chemical  reactions,  the molecules must  overcome  an  energy  barrier  before  the 

starting materials can become products. This energy barrier, the minimum energy that must be 

supplied  before  the  reaction  can  occur,  is  called  the  activation  energy  (Ea)  of  the  chemical 

reaction.  

 

 

6.6.2 The Arrhenius Equation 

The value of the rate constant for a particular reaction depends on the activation energy of the 

reaction, the temperature of the system, and how often a collision occurs in which the atoms are 

in the required orientation.   All of these factors can be summarized  in a single equation, called 

the Arrhenius equation:    /RTEaAek −=  

 

Qualitatively, this means that as Ea gets larger, the rate constant gets smaller, and that as T gets 

larger,  the  rate constant gets  larger.   This equation can be  rewritten  in another  form, which  is 

easier to graph: 

RTE

Aln kln a−=  

 

This  leads  to  a  linear  graph:   plotting  ln  k  along  the  y‐axis  versus 1/T  along  the  x‐axis  gives  a 

straight line with a slope of –Ea/R and an intercept of ln A.  Thus A and Ea can be evaluated after k 

has been measured at several different temperatures. 

Page 95: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

94

6.7 Catalysis 

 

Another way  to make  a  reaction  go  faster  is  to  add  a  substance  called  a  catalyst.   A  catalyst 

functions by  changing  the mechanism of a  reaction  in a manner  that  lowers activation energy 

barriers.  Although the catalyst changes the mechanism of a reaction, it is not part of the overall 

stoichiometry of the reaction and is not consumed as the reaction proceeds. 

 

Page 96: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

95

6.8 Practice Exam Questions 

 

Multiple Choice 

1.  For the overall chemical reaction shown below, 

    2H2S(g) + O2(g) →  2S(s) + 2H2O(g)  

Which one of the following statements can you rightly assume? 

 

A. The reaction is third‐order overall 

B. The rate law is: rate= k[H2S]2 [O2]. 

C. The reaction is second‐order with respect to H2S. 

D. The rate law is: rate=k[H2O]2 /{[H2S]

2 [O2]}. 

E. The rate law cannot be determined from the reaction stoichiometry. 

 

 

2.  The rate of consumption of iodide, I– (aq), in the reaction: 

    S2O82–

 (aq) + 3I– (aq) → I3

– (aq) + 2SO4

2– (aq) 

is 5.40(mol I–)•L–1•s–1. What is the rate of formation of SO42–

 (aq)? 

 

A. 1.80 (mol SO42–)•L–1•s–1 

B. 3.60 (mol SO42–)•L–1•s–1 

C. 5.40 (mol SO42–)•L–1•s–1 

D. 8.10 (mol SO42–)•L–1•s–1 

E. 10.8 (mol SO42–)•L–1•s–1 

 

Page 97: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

96

3.  The following data were obtained for the reaction of NO with O2.  Concentrations are in 

molecules/L and rates are in molecules/L⋅s. 

[NO]0  [O2]0  Initial Rate 

1×1021  1×1021  2.0×1019 

2×1021  1×1021  8.0×1019 

3×1021  1×1021  18.0×1019 

1×1021  2×1021  4.0×1019 

1×1021  3×1021  6.0×1019 

       

Which of the following is the correct rate law? 

 

A. Rate = k[NO][O2] 

B. Rate = k[NO][O2]2 

C. Rate = k[NO]2[O2] 

D.  Rate = k[NO]2 

E.  Rate = k[NO]2[O2]2 

 

 

Page 98: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

97

4.   The rate constant k depends on 

 

A. the concentration of the reactants and the temperature. 

B. the nature of the reactants and the order of the reaction 

C. the nature of the reactants and the temperature 

D. the order of the reaction and the concentration of the reactants 

E. the order of the reaction and the temperature 

 

 

5.   If the reaction  

2 HI (g)   ⎯→   H2 (g)  +  I2 (g) 

       is second order, which of the following plots would be linear? 

 

A. 1/[HI] vs. time 

B. 1/[HI]2 vs. time 

C. ln[HI] vs. time 

D. −[ ]dt

d HIvs. time. 

E. None of the above would be linear. 

 

 

Page 99: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

98

6.   The reaction 2 H2O2  ⎯→  2 H2O  +  O2 has the following mechanism. 

 

H2O2  +  I−   ⎯→   H2O  +  IO

− 

H2O2  +  IO−  ⎯→   H2O  +  O2   +  I

− 

        

What is the catalyst in the reaction? 

 

A. H2O 

B.  I− 

C. H2O2 

D. IO− 

E. none of the above 

 

Use the potential energy diagram below to answer the following two questions. 

 

E

Reaction coordinate

Pote

ntia

l Ene

rgy

A

B D

C

Page 100: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

99

7.   Which letter in the above diagram represents the activation energy for the forward reaction, 

i.e for the uncatalyzed conversion of reactants into products? 

 

A. A 

B. B 

C. D 

D. E 

E. None of the above. 

 

 

8.   Which letter represents the change in potential energy for the overall reaction? 

 

A. A 

B. B 

C. D 

D. E 

E. None of the above. 

 

 

Page 101: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

100

9.   The rate law for a reaction is rate = k[A]2[B].  Which of the following mechanisms supports 

this rate law? 

 

i)  A  +  B              E  (fast) 

     E  +   B   ⎯→     C  + D   (slow) 

 

ii)  A   +   B                 E  (fast) 

      E  +   A   ⎯→   C   +  D    (slow) 

 

iii)    A  +  A   ⎯→   E      (slow) 

        E   +  B   ⎯→    C  +  D   (fast) 

 

A. i 

B. ii 

C. iii 

D. two of these 

E. none of these. 

⎯→ ←⎯

⎯→ ←⎯

Page 102: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

101

Short Answer: 

10.  Rate constants for a certain reaction are 3.88×10−5 s−1 at 27oC and 5.98×107 s−1 at 727oC 

 

A.   What are the activation energy and pre‐exponential factor for the reaction? 

 

 

 

 

B.   Suppose that the reaction is catalyzed at 227oC and the rate constant is measured to be 

4.40×107 s−1.  Assuming the catalytic mechanism is entirely due to lowering of activation 

energy, how much has the transition state energy been lowered? 

 

 

 

 

 

 

 

 

C.   A  t what temperature does the uncatalyzed reaction proceed at the same rate as the 

catalyzed reaction at 227oC? 

 

Page 103: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

102

11.  For the reaction 

2 A  +  B  ⎯→   Products 

       The following mechanism is proposed: 

 

     A  +  B        M    Forward rate constant: k1  Backward rate constant: k−1 

 

      A  +  M  ⎯→   Products  Forward rate constant: k2 

 

A.   Assuming that the second step is the rate‐determining step and the first step is a fast 

equilibrium step, determine the rate law.  Represent the rate constant in terms of k1, k−1, 

and k2. 

 

 

 

 

 

B.   Using the steady state approximation, determine the rate law. 

 

 

 

 

 

 

C.    Under what conditions are the rate laws above the same? 

 

⎯→ ←⎯

Page 104: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

103

12.  In experiments investigating the thermal decomposition of azomethane in a flask of fixed 

volume,               CH3NNCH3 (g)   ⎯→  C2H6 (g)  +  N2 (g) 

       The following data were obtained: 

   

Exp.  Initial [CH3NNCH3]  Initial Rate 

1  5.13×10−2 M  2.8×10−6 M/s 

2  2.05×10−1 M  1.1×10−5 M/s 

 

A. Determine the rate law and the value of the rate constant. 

 

 

 

 

 

B. In Exp. 1 above, how long would it take for 90% of the original azomethane to 

decompose? 

 

 

 

 

 

 

C. In Exp. 1 above, what would be the rate of decomposition of CH3NNCH3 once 90% of the 

original azomethane had decomposed? 

Page 105: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

104

VII. Thermochemistry 

 

7.1 Chapter Summary 

 

Thermodynamic System: anything that we want to describe and study by itself 

Surroundings: everything else that is not the system 

Boundary: separates a system from its surroundings across which matter and/or energy can be 

transferred 

Open System: exchanges matter and energy with its surroundings 

Closed System: exchanges energy but not matter with its surroundings 

Isolated System: exchanges neither matter nor energy with the surroundings 

State: the conditions that describe a system   

State Variables: conditions that must be specified to establish the state of a system, pressure (P), 

volume (V), temperature (T), and amounts of substances (n) 

Physical Change of State: some of the state variables changes, but the chemical composition of 

the system stays the same 

Chemical Change of State: the amounts of reactants and products change   

Chemical Reaction: some bonds break, and new bonds form 

State Function: a property that depends only on the state of the system 

Path Function: a property that depends on how a change takes place 

Kinetic Energy: the energy associated with motion.  

Potential Energy: stored energy 

Molar Heat Capacity: the amount of heat needed to raise the temperature of 1 mol of substance 

by 1 Kelvin (1K) 

Work (w): energy used to move an object against an opposing force, w= Fd 

First Law of Thermodynamics: ΔEsys = qsys + wsys 

Calorimeter: a device that measures heat flow 

  

Page 106: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

105

Exothermic Process: if the chemicals release heat, this heat gain raises the temperature of the 

calorimeter 

Endothermic Process: if the chemicals absorb heat, this heat loss lowers the temperature of the 

calorimeter,  qcalorimeter = CcalΔT, q = nCΔE 

Enthalpy: a thermodynamic quantity whose change equals the heat flow at constant pressure,  

ΔH = ΔE + Δ(PV) 

Standard Enthalpy of Formation ( ofHΔ ): enthalpy change accompanying the formation of one 

mole of a chemical substance from pure elements in their most stable forms under standard 

conditions 

Hess’s Law: the enthalpy change for any overall process is equal to the sum of enthalpy changes 

for any set of steps that leads from the reactants to the products 

Molar Heat of Solution: measures net energy flow that occurs as substance dissolves   

Molar Heat of Vaporization: the heat needed to vaporize one mole of a substance at its normal 

boiling point 

Molar Heat of Fusion: heat needed to melt one mole of a substance at its normal melting point 

Sublimation: a phase change in which a solid converts directly to a vapor without passing 

through the liquid phase, ΔEvap = ΔHvap − RTvap 

Bond Dissociation Energy: a standard enthalpy change, ΔHo, for the corresponding bond‐

breaking reaction. 

Page 107: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

106

T I P! State function is like a 

vector and path function is a scalar. 

7.2 State and Path Functions 

 

Open System: exchanges matter and energy with its surroundings.   

 

Closed System: exchanges energy but not matter with its surroundings. 

 

Isolated System: exchanges neither matter nor energy with the surroundings. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A change in energy depends on the difference between the initial conditions and final conditions 

(changes in temperature, pressure, etc.), but it does not depend on how the change of state is 

accomplished.   

 

State Function: a property that depends only on the state of the 

system. 

 

Path Function: a property that depends on how a change takes 

place. 

Energy Matter

Open

Energy Matter Energy Matter

Closed Isolated

ΔE = q + w = 0 

Page 108: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

107

7.3 Energy Change 

 

Breaking  a  bond  always  consumes  energy  and making  a  bond  always  releases  energy.    The 

balance between  two processes  results  in  two classes of  reactions, which are  illustrated  in  the 

Figure below.   

 

When  the energy  released by bond  forming  is greater  than  the energy  consumed by bond 

breading, there is a net release of chemical energy by the system. 

When  the  energy  needed  for  bond  breaking  is  greater  than  the  energy  released  by  bond 

forming, the chemical reaction must be driven by energy absorbed from the surroundings. 

 

(a) Energy‐releasing process        (b) Energy‐absorbing process 

 

Schematic  diagrams  showing  energy  flows  that  accompany  reactions.    (a)  When  a  reaction 

releases  energy,  the  surroundings  gain  energy.    For  these  reactions,  change  in  energy  (ΔE)  is 

negative for the system and positive for the surroundings.  (b) When the reaction absorbs energy, 

the surroundings lose energy.  For these reactions, ΔE is positive for the system and negative for 

the surroundings. 

 

When a system gains energy, the surroundings lose the same amount of energy, and vice versa.  

Consequently,  the  sign  of  ΔE  for  a  system  is  always  different  from  the  sign  of  ΔE  for  its 

surroundings.   

If a system gains energy, ΔE is positive for the system and negative for the surroundings.   

If a system loses energy, ΔE is negative for the system and positive for the surroundings. 

Surroundings E increases +ΔE Energy flow

Reactants System −ΔE E decreases Products

Surroundings E decreases −ΔE Energy flow

E increases System Products

+ΔE

Reactants

Page 109: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

108

q = nCΔT

q = mcΔT

q = nΔH

7.3.1 Energy and Heat 

 

When a system’s energy changes, there must be an exchange of energy with the surroundings.   

Heat (q): one way to exchange energy is by a flow of Heat.  Flows are changes in energy, so they 

are measured in joules (J).  Temperature changes often accompany heat flows.   

 

Changes  in  Temperature  (ΔT):  although  temperature  does  not  have  energy  units, we  can  use 

temperature  changes  to  calculate  energy  changes.    Experiments  show  that  a  change  in  an 

object’s temperature (ΔT) depends on four factors: 

 

1. ΔT depends on q, the amount of heat transferred.   

2. ΔT depends on the direction in which heat is transferred.  If a system absorbs heat, ΔT will be 

positive; but if a system releases heat, ΔT will be negative. 

3. ΔT depends inversely on the amount of material.  

4. ΔT depends on the identity of the material. 

 

Molar Heat Capacity (C; unit, J mol−1K−1) is the amount of heat needed to 

raise the temperature of 1 mol of the substance by 1 Kelvin (1K). Using C, all 

four  factors can be expressed  in one equation that describes the temperature change resulting 

from a heat transfer: 

 

Specific Heat Capacity (c; unit, J g−1K−1) is the amount of heat needed to 

raise the temperature of 1 g of the substance by 1 Kelvin (1K).  

 

Change in States while the temperature is kept constant  

 

 

Page 110: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

109

w = Fd

wsys = − wsurr

wsys = − PextΔVsys

7.3.2  Energy and Work 

 

Work (w): energy used to move an object against an opposing force.  For an 

automobile to move, work must be done to overcome the forces of friction 

and gravity.  The amount of work depends on the magnitude of the force that must be overcome 

and the amount of movement or displacement. 

 

Expansion Work: A gas in a container with movable walls can expand,  

and this expansion results  in a movement against the force exerted by 

the walls.    Thus, work  is  done  in moving  the walls  of  the  container. 

Expansion Work is expressed in terms of the opposing pressure and 

the change of volume of the system:  

 

Every energy  transfer has a direction. When a system does work on  the 

surroundings, the system transfers energy to the surroundings. Thus w is 

positive for the surroundings and negative for the system in an expression: 

 

Page 111: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

110

ΔEsys = qsys + wsys

qsys = − qsurr

wsys = − wsurr

Question ALERT! Apply the first law to solve different 

terms 

7.4 The First Law of Thermodynamics 

 

A  closed  system  can  exchange  energy  with  its 

surroundings in two ways:   

• Energy can be transferred as heat 

• Energy can be transferred as work 

 

Because energy must be conserved, the energy change of the system is linked to the flow of heat 

and work: 

 

This equation summarizes the observation that the change of energy of a system equals the heat 

transferred  into or out of the system plus the work transferred  into or out of the system.   The 

above equation applies to any process and is called the First Law of Thermodynamics. 

Energy  transfer  is  directional,  and  for  this  reason  it  is  essential  to  keep  track  of  the  signs 

associated with heat and work.   

 

When heat flows into a system, qsys is positive and the energy of the system increases.   

When heat flows out of a system, qsys is negative and the energy of the system decreases.   

When work is done on a system, wsys is positive and the energy of the system increases.   

When a system does work on the surroundings, wsys is negative and the energy of the system 

decreases. 

 

Furthermore, whatever  the  system  loses,  the  surroundings  gain,  and  vice 

versa.  Whenever  a  system  undergoes  any  change  in  energy,  the 

surroundings undergo an equal and opposite change in energy, so the total 

energy of the universe remains unchanged. 

 

Page 112: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

111

7.5 Heat Measurement: Calorimetry 

 

In a calorimetry experiment, the heat flow resulting from a process  is determined by measuring 

the temperature change of the calorimeter.  Then q can be related to energy change through the 

first law of thermodynamics. 

 

Because heat and work are path functions, however, the conditions of the experiment must be 

specified.  

 

For a constant‐volume calorimeter, ΔVsys = 0, so there is no expansion work:  

wv = 0.  Thus:    ΔE = qv               (Constant‐Volume calorimeter) 

 

From the equation defining enthalpy (H = E + PV) , we can relate enthalpy changes (ΔH) to the 

heat flow in a constant‐pressure process:  

qp = ΔE – wsys = ΔE − (−PextΔVsys) = ΔE + PextΔVsys = ΔE+ Δ(PV) = ΔH  

 

Virtually all aqueous solution chemistry occurs at constant pressure.  

 

For solids and liquids, volume changes during chemical reactions are very small: 

Δ(PV)condensed phases ≈ 0. 

 

Thus enthalpy changes and energy changes are essentially equal for processes that  involve only 

liquids  and  solids.  Pressure  and/or  volume  change  significantly  when  gases  are  produced  or 

consumed during a reaction. Consequently, the enthalpy change is likely to be different from the 

energy change for any chemical reaction involving gaseous reagents. 

The following four step procedures should be followed  

Page 113: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

112

reaction fnH HΔ = Δ∑o o (products) − fn HΔ∑ o (reactants)

reaction DHΔ =∑o (reactants) − D∑ (products)

7.6 Heats of Formation 

 

A  formation  reaction  produces  1 mol  of  a  chemical  substance  from  the  elements  in  their most  stable 

forms  

 

The standard enthalpy of formation ( ofHΔ ) is the enthalpy change accompanying the formation reaction 

under standard conditions, which are defined to be 298 K and 1 atm pressure. 

The  reaction enthalpy  for any chemical  reaction can be  found  from  the standard enthalpies of 

formation for all the reactants and products: 

 

 

7.7 Hess’s Law 

 

Enthalpy  is a state function, and the change of any state function  is  independent of the path of 

the reaction.   Thus, the enthalpy change for any overall process is equal to the sum of enthalpy 

changes for any set of steps that leads from the reactants to the products. This is known as Hess’s 

law.    

 

7.8 Bond Dissociation Energy 

 

A bond dissociation energy is a standard enthalpy change, , for the corresponding bond‐breaking 

reaction. 

 

For the reaction H − Y → H + Y     oHΔ  = D = bond dissociation energy 

We can calculate an approximate standard enthalpy change for a reaction by using the D values: 

 

 

 

Page 114: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

113

7.9 Practice Exam Questions   

Multiple Choice 

1. Suppose you add 55 J of heat to a system,  let  it do 10 J of expansion work, then return the 

system  to  its  initial  state  by  cooling  and  compression.   Which  statement  is  true  for  this 

process? 

 

A. ΔH < ΔE 

B. The work done in compressing the system must exactly equal the work done by the 

system in the expansion step. 

C. ΔH = 45 J 

D. The change in the internal energy for this process is zero. 

E. none of the above 

 

 

2. A 40.2 g sample of a metal  is heated to 99.3 Co  and then placed  in a calorimeter containing 

120.0 g of water (c = 4.18 J/g Co ) at 21.8 Co .  The final temperature of the water is 24.5 Co .  

Which metal was used? 

 

A. Gold (c = 25.4 J/mol Co )  

B. Iron (c = 25.1 J/mol Co )  

C. Copper (24.4 J/mol Co ) 

D. Lead (c = 29.0 J/mol Co ) 

E. Graphite (c = 8.53 J/mol Co ) 

= 25.1 J/ 

mol (1 mol/55.845 g) = 0.45 J/g 

Page 115: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

114

3. Under conditions of constant pressure, how much heat is required to convert 100.0 g 

H2O (l) at 25°C to H2O (g) at 125°C ? 

Specific heat capacity (H2O (l)) = 4.18 J/g°C; 

Specific heat capacity (H2O (g)) = 1.84 J/g°C; 

ΔHvap (100°C) = 40.7 kJ/mol−1. 

   

A. 36kJ  

B. 262kJ 

C. 257kJ 

D. 108kJ 

E. 236kJ 

+ 4.6kJ = 262k 

4. For a particular process, q = 20 kJ and w = 15 kJ.  Which statement is true? 

 

A. Heat flows from the system to the surroundings. 

B. The system does work on the surroundings. 

C. ΔE = 35 kJ 

D. All of the above are true. 

E. None of the above are true. 

 

 

Page 116: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

115

5. You place 5 ice cubes at 0°C, each of mass 10.0 g in an insulated glass.  You then add 300.0 g 

of water at 25°C to the ice.  Assuming the glass does not absorb or release heat, what will be 

the  final  temperature  of  the  contents  of  the  glass?    Heat  of  fusion  of  ice  =  6.02  kJ/mol; 

specific heat capacity of water = 4.18 J °C−1 g−1. 

 

A. 10.0°C 

B. 11.7°C 

C. 14.0°C 

D. 21.4°C 

E. 32.8°C 

 

 

6. Two metals of equal mass with different heat capacities are subjected to the same amount of 

heat.  Which undergoes the smallest change in temperature? 

 

A.   The metal with the higher heat capacity. 

B.   The metal with the lower heat capacity 

C.   Both undergo the same change in temperature. 

D.   The temperature change cannot be determined because the initial temperature of the 

metals are needed. 

E.   The temperature change cannot be determined because the heat capacities of the metals 

and the amount of head added are needed. 

Answer: A Solution: q = mcΔT. The larger the heat capacity the smaller the change in temperature will be because q and m are kept constant.

Page 117: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

116

Short Answer: 

7. Consider the following data: 

ΔH (kJ) 

Ca (s)  +  2 C (graphite)   ⎯→   CaC2 (s)      −62.8 

Ca (s)  +  21 O2 (g)  ⎯→  CaO (s)        −635.5 

CaO (s)  +  H2O (l)   ⎯→   Ca(OH)2 (aq)      −653.1 

C2H2 (g)  +  25 O2 (g)  ⎯→  2 CO2  +  H2O (l)      −1300.0 

C (graphite) + O2 (g)   ⎯→  CO2 (g)        −393.51 

        

Use Hess’s law to find the change in enthalpy at 25 Co  for the following equation: 

    CaC2 (s)  +  2 H2O (l)   ⎯→  Ca(OH)2 (aq)  +  C2H2 (g) 

 

Page 118: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

117

8. Suppose  a  calorimeter  composed  of  a  strong  metal  container  with  a  movable  piston 

surrounded by one  litre of  liquid water  is used to study the burning of propane gas, C3H8,  in 

oxygen. 

 

A.  When 1.00 g of propane  is burned, the observed temperature change of the calorimeter 

system  is +3.37 Co .   Assuming that the heat of reaction  is used to raise the temperature 

of  the metal  container  and  surrounding water  only,  estimate  the  heat  capacity  of  the 

metal container.  rH ×Δ = −2200 kJ/mol. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B.   Calculate the molar enthalpy of burning butane gas, C4H10,  in oxygen  if burning 1.00g of 

butane in the same calorimeter system leads to a temperature rise of 3.67 Co . 

Page 119: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

118

VIII. Chemical Equilibrium 

 

8.1 Chapter Summary 

 

 

Equilibrium Constant: [ ] [ ][ ] [ ]ba

edK

eqeq

eqeqeq

BA

ED=

  

Keq applied only at equilibrium 

Keq is independent of initial conditions 

Keq is related to the stoichiometry of the balanced net reaction 

Pure Liquid and Solid: the concentrations of pure liquids or solids are always equal to their 

standard concentrations, therefore division by standard concentration results in a value of 1  

Large Keq: indicates that the reaction goes virtually to completion 

Vapor Pressure: equilibrium pressure  

Le Châtelier’s Principle:  when a change is imposed on a system at equilibrium, the system will 

react in the direction that reduces the amount of change 

Catalysts: does not affect the equilibrium constant, it allows a reaction to reach equilibrium more 

rapidly, but it does not alter the equilibrium position 

Temperature: is the only variable that causes a change in the value of Keq,  an increase in 

temperature always shifts the equilibrium position in the endothermic direction, and a decrease 

in temperature always shifts the equilibrium position in the exothermic direction 

 

Page 120: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

119

8.2 Dynamic Equilibrium 

 

The double arrow implies the process is dynamic and reversible 

Rate of forward reaction = rate of reverse reaction 

Concentrations of all species are constant  

 

8.3 Equilibrium Constant 

 

8.3.1 Definition 

For a reaction:   aA  +  bB   ↔    cC   +   dD   

The equilibrium constant expression is:    Kc = [ ] [ ][ ] [ ]

c d

a b

C DA B

  or Kp = c d

c da b

a b

p pp p

 

Kc is based on the molarities of the reaction components at equilibrium 

Kp is based on the partial pressure (atm) of the reaction components at equilibrium 

Values of Kc and Kp are dimensionless.  

Use ideal gas equation Kp = Kc (RT)Δn where Δn is the difference between the total number 

  of moles of gases on the right side and the left side of the equation and R equals 0.08206  

  L atm mol−1K−1. 

Pure solids, pure liquids, and solvents are not included in the expression. 

Values of K are related to the balanced equation and temperature only (not concentrations, 

not pressures, and not catalysts). 

 

Page 121: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

120

8.3.2  Equilibrium constants and reaction equations 

If the reaction equation is written in reverse, the new K value is the reciprocal. 

If the reaction equation is doubled, the K value is squared. 

If the reaction equations are added, the K value for the new equation is the product of the  

  original ones. 

If the two equations are subtracted, the K value for the new equation is the quotient of the  

  original ones. 

 

8.3.3  Equilibrium constants and temperature 

 

The  equilibrium  constant  of  an  exothermic  reaction  decreases  with  increasing  temperature, 

whereas  the  equilibrium  constant  of  an  endothermic  reaction  increases  with  increasing 

temperature.  This  can  be  derived  qualitatively  from  Le  Chatelier’s  Principle.    It  can  also  be 

quantitatively derived from the standard free energy of the reaction: 

 

Step 1. Calculate ΔGo at the new temperature: ΔGo = ΔHo – T ΔSo 

Step 2. Calculate K from the equation: ΔGo =  – RT ln K 

Page 122: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

121

8.4 Applications of the Equilibrium Constant  

8.4.1 Judging the extent of reaction 

Large K   more products: Small K   more reactants 

K>>1 the products dominate and reactions go essentially to completion. 

K<<1 the reactants dominate and the reaction does not occur to any significant extent. 

• The size of K and the rate of the reaction are not directly related. 

 

8.4.2 Predicting the direction of reaction 

If Q > K, net reaction goes from left to right. 

If Q < K, net reaction goes from right to left. 

If Q = K, no net reaction occurs; the system is at equilibrium. 

 

Page 123: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

122

Question ALERT! A common question is related to equilibrium 

calculations. 

8.4.3 Solving equilibrium problems 

 

This  is  a  very  common  problem  on  the  exam.  To  solve  this  kind  problem,  follow  the  steps 

summarized: 

 

Step 1. Write  the balanced equation. This  is directly  related  to K. 

Don’t alter it even though sometimes it may go from the right side 

to the left. 

 

Step 2. Under the balanced equation, list the following: 

 

i) The initial concentration     ← the concentrations can have any values to start the  

                 reaction 

ii) The change in concentration  ← all concentrations must follow the stoichiometric 

                 ratio of the balanced equation. 

iii) The equilibrium concentration ← all concentrations must follow the equilibrium 

                constant expression. Write the equation. 

 

Step 3. Solve the equation set up in step 2 iii).  

The key step is to analyze the ICE table in step 2. You can always find one concentration or define 

x  as  the  concentration  of  one  of  the  substances  and  others  can  be  derived  by  using  the 

stoichiometry of the reaction. 

Page 124: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

123

8.5 Le Chatelier’s Principle  

Le Chatelier’s principle provides us with the means for making qualitative predictions about 

changes in chemical equilibria. 

 

                 CHANGES  Equilibrium will shift to      K will 

[reactant] increases  The right  not change 

[product] increases  The left  not change 

increasing the pressure by reducing the 

volume of the container 

The direction having less 

number of moles of gases 

not change 

increasing the temperature  The endothermic 

direction 

increase if the 

forward is endo 

addition of solids, liquids, catalyst, or 

noble gases without changing the 

volume  

No shift  not change 

 

Page 125: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

124

8.6 Practice Exam Questions   

Multiple Choice 

1. Given: P4(s) + 6Cl2(g) ↔ 4PCl3(l)   K 

  The equilibrium constant for the reaction below is 

    2PCl3(l) ↔ 3Cl2(g) + ½ P4(s) 

 

A. 1/K 

B. K1/2 

C. –K1/2 

D. 1/K2 

E. 1/K1/2 

 

 

2.   What is the proper expression for Kc for the reaction 

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) ? 

 

A. Kc = [CO2 ] 

B. Kc = [CO2 ] [CaO] / [CaCO3 ] 

C. Kc = [CaCO3 ] / ([CO2 ] [CaO]) 

D. Kc = [CO2 ] [CaO] [CaCO3 ] 

E. Kc = 1 / [CO2 ] 

 

Page 126: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

125

3.   Phosgene is a deadly gas, which decompose at elevated temperature according to the 

following equilibrium: 

COCl2 (g)   ←→  CO (g)   +   Cl2 (g)    K = 8.3×10−4 at 360°C. 

 

What is the equilibrium pressure of CO if a reaction vessel containing 6.3 atm of phosgene is 

heated to 360°C and allowed to come to equilibrium? 

 

A. 7.2×10−2 atm 

B. 5.2×10−2 atm 

C. 5.2×10−3 atm 

D. 8.3×10−4 atm 

E. 1.3×10−4 atm 

 

 

4.  The value of the equilibrium constant K depends on 

 

i. the temperature of the system. 

ii. the nature of the reactants and products. 

iii. The concentration of the reactants. 

iv. The concentration of the products. 

 

A. i, ii 

B. ii, iii 

C. iii, iv 

D. It is dependent on three of the above 

E. none of these 

 

Answer: A 

Solution:  K is related to the nature of the reaction equation and temperature only. 

 

Page 127: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

126

5.   A sample of nitrosyl bromide decomposes according to the following equation: 

2NOBr (g)   ⇔  2NO (g)  +  Br2 (g) 

An equilibrium mixture in a 5.00 L vessel at 100 Co  was found to contain 3.22 g NOBr, 3.08 g 

NO and 4.19 g Br2.  The value of equilibrium constant (Kp ) for the reaction as written is: 

 

A. 1.97 

B. 0.56 

C. 3.83 

D. 0.353 

E. 1.40 

 

 

6.   At 200°C, nitrogen oxide reacts with oxygen to form nitrogen dioxide as follows: 

2 NO  +  O2  ⇔  2 NO2,   K = 3×106 

 

To a reaction vessel was introduced 0.010 atm NO, 0.10 atm NO2, and 0.010 atm O2.  This 

system is: 

 

A.   At equilibrium. 

B.   Not at equilibrium and must proceed from left to right to reach equilibrium. 

C.   Not at equilibrium and must proceed from right to left to reach equilibrium. 

D.  Not  at  equilibrium  but  insufficient  information  is  given  to  predict which  direction  the 

reaction must go to reach equilibrium. 

E.   None of the above. 

     

 

Page 128: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

127

7.   Which of the following statements concerning the reaction quotient, Q, and equilibrium 

constant, K, is false? 

 

A. Q may be equal to zero 

B. Q may be larger than K 

C.  Q may be smaller than K 

D.  The value of Q changes as the reaction proceeds towards equilibrium 

E.  One of the statements above (a, b, c, d) is false 

 

 

8.   For the reaction 3H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3(g), what is the relationship between Kc and Kp at 

temperature T? 

 

A. Kc = Kp 

B. Kp = Kc(RT) 

C. Kc = Kp(RT)2 

D. Kc = Kp1/2 

E. none of these 

 

 

Page 129: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

128

9.   The temperature in an automobile engine during ignition is approximately 1000K.  At this 

temperature, N2(g) and O2(g) from the air react in the engine to form NO(g): 

N2(g) + O2(g)   2NO(g) 

The standard free energy of formation, ΔGof of nitric oxide NO at 1000K is 78 kJ/mol.  

Calculate the equilibrium constant for the above reaction at 1000K. 

 

A. 1.8 x 10‐19 

B. 0.98 

C. 4.3 x 10‐13 

D. 7.1 x 10 –9 

E. 8.4 x 10‐5 

 

 

10. When 0.1 moles of methylamine is dissolved in 500mL of water, the following hydrolysis 

reaction occurs: 

CH3NH2 (aq) ↔ CH3NH3+ (aq) + OH– (aq) 

 

The hydroxide concentration  is  found to be 8.6 x 10–3M.   What  is the value of Keq  for this 

reaction? 

 

A. 4.3 x 10–2 

B. 7.4 x 10–4 

C. 7.4 x 10–5 

D. 3.7 x 10–4 

E. 7.4 x 10–3 

 

Page 130: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

129

11. Consider a warm (30oC) 355mL can of soda, under 2.5atm CO2 pressure.  What volume of CO2 

will be released from the soda in order to reach equilibrium after opening where the pressure 

of CO2 = 3.25 x 10–4 atm and the total pressure is 758mm Hg (KH = 1.6 x 10

–2 M/atm)? 

 

A. 3.5 mL 

B. 3.5 L 

C. 35 mL 

D. 0.35 L 

E. 100 mL 

0.35L 

 

12. For the hypothetical reactions 1 and 2 below, K1 = 103 and K2 = 10

–5. 

1.  A + 2B ↔ AB2 

2.  A + B ↔ AB 

3.  AB2 ↔ AB + B 

 

What is the value of K for reaction 3? 

 

A. 10‐8 

B. 10‐2 

C. 102 

D. 108 

E. none of these 

Answer: A Solution: the equation is reversed, K is the reciprocal: AB2↔ A + 2B K = 10–3

A + B ↔ AB K= 10–5 The equations are added, K’s are multiplied AB2 ↔ AB + B K = 10–8

Page 131: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

130

Short Answer: 

13. An equal number of moles of gases A2 and B2 were placed in an evacuated 2.00 L flask at     

25°C and allowed to reach equilibrium according to the reaction. 

A2 (g)  +  B2 (g)   ↔  2 AB (g)    Kc = 2.0×10−4. 

 

       At equilibrium, the total pressure inside the flask is 3.20 atm. 

A.  What was the initial concentration of A2? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B.  What is the equilibrium concentration of AB? 

  

Page 132: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

131

14.  Equal volumes of sulphur dioxide and oxygen gases are introduced into a 4.00 L vessel       

and establish the following equilibrium: 2SO2(g) + O2 (g)                    2SO3 

At equilibrium, 4.00 moles of sulphur trioxide gas are present at a pressure of 164 atm and a 

temperature of 527oC. 

 

A. How many moles of sulphur dioxide were introduced? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B.  If  at  equilibrium  a  quantity  of  sulphur  dioxide  is  added,  we  find  that  at  the  new 

equilibrium there are twice as many moles of sulphur trioxide as there are of oxygen. How 

many moles of sulphur dioxide were added? 

⎯→←⎯

Page 133: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

132

IX. Aqueous Acid‐Base Equilibrium 

 

9.1 Chapter Summary 

 

Strong Electrolytes: ionize completely, almost 100% become ions. 

Weak Electrolytes: ionize partially, only small amount of ions present in the mixture. 

Arrhenius Acid: a species that produces hydrogen ions in aqueous solution. 

Arrhenius Base: a species that produces hydroxide ions in aqueous solution. 

BrØnsted‐Lowry Acid: a species that donates a proton is an acid 

BrØnsted‐Lowry Base: a species that accepts a proton is a base 

Lewis Acid: an electron‐pair acceptor. 

Lewis Base: an electron‐pair donor. 

Amphiprotic Species: a chemical species that can both donate and accept protons  

Water Equilibrium Constant (Kw): Kw = [H3O+][OH−] = 1.00×10−14  (at 298 K) 

pH Scales:  pH  = −log[H3O+] pOH  = −log[OH−]  pKa = −log Ka 

pKb = −log Kb pH + pOH = 14.00  KaKb = Kw  pKa  + pKb = pKw = 14.00 (25oC) 

Conjugate Acid‐Base Pair: any proton donor and species generated by removing one of its 

protons  

 

Page 134: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

133

9.2 Self Ionization of Water 

 

9.2.1 The Proton in water 

 

Water can act as both acid and base depending on what it reacts with 

2 H2O (l)  ↔   OH− (aq)   +   H3O+  (aq) (auto ionization of water) 

Keq = Kw = [H3O+][OH−] = 1.00×10−14  (at 298 K) 

The equilibrium constant for this reaction is the water equilibrium constant (Kw) 

 or ionic product of water 

[H3O+]eq = [OH

−]eq = 1.00×10−7 M   (pure water at 298 K) 

    

9.2.2 The pH scale 

   

pH = – log [H3O]+   [H3O

+] = 10–pH 

pOH = –log[OH–]   [OH–] = 10–pOH 

In pure water at 25oC:  pH = pOH = 7.00 

Acidic = [H3O+]> 1.0 x 10–7 M,  so pH < 7 

Basic  = [OH–] > 1.0 x 10–7 M, so pH > 7 

In aqueous solution at 25oC:  pH + pOH = pKw = 14 or [H3O+] [OH–] = 10–14 

 

9.2.3 Other “p” scales 

 

pKa = –log Ka;    pKb = –log Kb;    pKw = –log Kw. 

 

The smaller the pKa value, the greater the Ka value, the stronger the acid will be. 

The smaller the pKb value, the greater the Kb value, the stronger the base will be. 

pH + pOH = 14

Page 135: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

134

9.3 Finding pH of Strong Acid/Base 

The following strong acids will ionize completely in water: 

  HNO3, H2SO4, HClO3, HClO4, HCl, HBr, HI.  

  Note that H2SO4 is strong for its first step dissociation and the second step has equilibrium. 

The following strong bases will ionize completely in water: 

Group IA bases: LiOH, NaOH, KOH, … and Ba(OH)2. 

Based on  the complete  ionization,  the  [H3O+] and  [OH–] can be calculated directly  from  the 

balanced equation. e.g. 0.1 M Ba(OH)2 → Ba2+ + 2 OH– 

[OH–] = 0.2 M, pOH = 0.70.  

If the concentrations are extremely low, such as <10‐6, then autoionization of water needs to 

be taken into account. See the practice exam questions. 

 

9.4 Weak Acids and Bases 

Weak acids and bases are partially  ionized and  their equilibrium constants are associated with 

the equilibrium equations. Their percentage ionization = the ionized part/initial total. 

 

9.4.1 Weak acid 

The Larger the Ka the stronger the acid and the smaller the pKa, the stronger the acid 

Use ICE table to analyze the equilibrium concentration  

  HA  +  H2O  ↔  H2O+  +  A– 

Initial ,  M  ca    ‐    0    0 

Change, M  –x    ‐    +x    +x 

Equilibrium, M  ca – x    ‐    X    x 

 

2

3[ ] ( )a a aa

xK x H O K c xc x

+= = = −−

, assume x to be 0 to calculate the first 

approximated x value. Use iteration to get the accurate value of x if necessary.  

 

Page 136: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

135

9.4.2 Weak Base 

The Larger the Kb the stronger the base and the smaller the pKb, the stronger the base 

Using ICE table to analyze the equilibrium concentration or  

 

2

[ ] ( )b b bb

xK x OH K c xc x

−= = = −−

, assume x to be 0 to calculate the first approximated x 

value. Use iteration to get the accurate value of x if necessary. 

 

9.4.3  Conjugate acid‐base pair 

 

Conjugate acid‐base pair differs by only one proton 

The stronger the acid the weaker the conjugate base 

For conjugate acid and base pair: 

Ka x Kb = Kw  or  pKa+ pKb = pKw = 14 

 

  B  +  H2O  ↔  HB+  +  OH– 

Initial ,  M  cb    ‐    0    0 

Change, M  –x    ‐    +x    +x 

Equilibrium, M  cb–x      ‐    x    x 

Page 137: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

136

Question ALERT! A common question is 

related to the pH  calculation of various 

solutions. 

9.4.4 Acid – base reactions 

 

The acid base reaction is actually the proton transfer between two pairs of acids and bases: 

Acid1 + base2 ↔ base1 + acid2 

The  reaction  favors  the  direction  from  strong  acid1  and  strong 

base2 to weak base1 and weak acid2. 

From this rule, we can do two things: 

 

a)   Predict  the  direction  of  the  reaction,  or  compare  the 

equilibrium constant, etc. 

b)   Compare the relative strengths of the acids or bases in the reaction system if the direction of 

the reaction is given. 

 

Worked example: 

 

What would be the major reaction between H2PO4– and HCO3

– ? The equilibrium constant for the 

given reaction is greater than 1 or less than 1? Give a brief explanation. 

(H3PO4: pKa1 = 2.12; pKa2 = 7.21; pKa3 = 12.32; H2CO3: pKa1 = 6.37; pKa2 = 10.25) 

 

Solution:  

Both of H2PO4– and HCO3

– can behave as acids and bases. 

 

As acids: H2PO4–  has pKa = 7.21 and HCO3

– has pKa = 10.25. H2PO4–  is a stronger acid than HCO3

–  

 

As bases: H2PO4–  has pKb = 14 – 2.12 = 11.88 and HCO3

– has pKa = 14 – 6.37 = 7.63.  H2PO4–  is a 

weaker base than HCO3– . 

 

The major reaction should have H2PO4– to react as an acid and HCO3

– as a base. 

H2PO4–  +  HCO3

–  ↔ HPO42–  +  H2CO3 

A1    B2    B1    A2 

Page 138: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

137

This  is an acid‐base reaction,  in which pKa  for the acid H2PO4–  (A1) = 7.21 and pKa  for the acid 

H2CO3 (A2) = 6.37. H2PO4– is a weaker acid than H2CO3 and HPO4

2– is a stronger base than HCO3– . 

The reaction is running from weak acid 1 and weak base 2 to stronger base 1 and stronger acid 2. 

It favours the reverse direction and K value is less than 1. 

 

9.4.5 Acid – base properties of salt 

 

Most soluble salts are strong electrolytes and will ionize completely. 

The ions produced may be acidic, basic, or neutral, depending on their different properties.  

 

 

 

 

 

 

 

Salts made from  Nature of solution 

Strong acid + strong base  Neutral 

Strong acid + Weak base  Acidic 

Weak acid + strong base  Basic 

Weak acid + Weak base  Neutral, acidic, or basic 

depending on the relative 

strength  

Page 139: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

138

9.5 Strategy for Solving Acid‐Base Problems: A Summary  

Step 1. Calculate the number of moles of  all the species in the solution by using the formula:  

n = M L = (molar concentration) x (volume in litres).  

The rule is to break strong electrolytes to ions and keep the weak ones unchanged. 

 

Step 2.  If there are acid‐base reactions, write the balanced equation and determine the number 

of moles of each of the species after the reaction based on the stoichiometric ratios. 

If there is no reaction, go to step 3. 

 

Step 3.   If  there  is only one  acid or base, use  the  formula  3[ ] ( )a aH O K c x+ = −   for  the weak 

acid,   [ ] ( )b bOH K c x− = −  for the weak base, and [H3O+] or [OH–] directly for the strong 

acid or base. If there are conjugate acid and base together in the system, use the formula 

base logacidapH pK ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟

⎝ ⎠  to calculate pH. The advantage  to use  this  formula  is  that  the 

number of moles of the conjugate acid and base can be directly used whereas the acid 

and base formulas require their molar concentrations. 

Page 140: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

139

9.6 Practice Exam Questions   

Multiple Choice 

1. The conjugate base of OH– is 

 

A. H2O 

B. O– 

C. H+ 

D. OH– 

E. O2– 

 

 

2. Given:   

HClO, pKa = 7.53 

CH2ClCOOH, pKa = 2.85 

H2CO3, pKa1 = 6.37 and pKa2 = 10.25 

List the conjugate bases, ClO–, CH2ClCOO–, and CO3

2–, in order of decreasing basicity. 

 

A. ClO–> CO32–> CH2ClCOO

– 

B. CO32–> ClO–> CH2ClCOO

– 

C. CH2ClCOO–> ClO–> CO3

2– 

D. CO32–> CH2ClCOO

–> ClO– 

 

 

Page 141: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

140

3. Consider the following monoprotic acids 

I.   Acetic acid (CH3COOH)    Ka  = 1.8×10−5 

II.  Formic acid (HCO2H)    Ka = 1.8×10−4 

III.  Hypobromous acid (HOBr) Ka = 2.4×10−9 

IV.  Nitrous acid (HNO2)    Ka  = 5.1×10−4 

V.  Phenol (C6H5OH)      Ka = 1.0×10−10 

         

Which of the following aqueous solutions will have the LOWEST pH? 

 

A. 0.10 M CH3COONa 

B. 0.10 M HCO2Na 

C. 0.10 M NaOBr 

D. 0.10 M NaNO2 

E. 0.10 M C6H5ONa 

 

 

4.   A 245.0 mL sample of 0.15 M Ba(OH)2 is added to 438.0 mL of 0.2 M HNO3.  What is the pH of 

the resulting solution? 

 

A. 0.021 

B. 1.68 

C. 12.32 

D. 0.70 

E. 13.30 

Ba2+ + 2 OH− There will be 0.15 M x 0.245 L x 2 = 0.0735 mol OH− HNO3 is a strong acid: HNO3 + H2O → H3O+ + NO3

− There will be 0.2 M x 0.438 L = 0.0876 mol H3O+

Page 142: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

141

5.   What is the pOH of 1.0×10−8 M solution of NaOH? 

 

A. 7.0 

B. 8.0 

C. 6.0 

D. slightly less than 7.0 

E. slightly more than 7.0 

 

 

6.   Consider two solutions, A and B.   [H3O+] in solution A is 500 times greater than in solution B.  

What is the difference in pH values between the two solutions? 

 

A. 1.3 

B. 2.7 

C. 3.1 

D. 6.2 

E. cannot be determined from the given. 

 

 

7.   Given three separate solutions containing equal concentrations of formic acid (Ka = 1.7×10−4),      

phenol (Ka = 1.3×10−10), and acetic acid (Ka = 1.8×10−5)  in water.   Select the response below      

that has the acid solutions arranged in order of increasing pH. 

 

A. formic < phenol < acetic 

B. formic < acetic < phenol 

C. acetic < formic < phenol 

D. phenol < acetic < formic 

E. No response is correct 

 

Page 143: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

142

8.   At 0oC the  ion product constant of water Kw = 1.2 x 10−15.   What  is the pH of pure water at 

0oC? 

 

A. 7.00 

B. 6.88 

C. 7.56 

D. 7.46 

E. none of these 

 

 

9.   A  solution  of  total  volume  0.50  L  was  prepared  by  the  addition  of  0.10 moles  of  KF  to       

sufficient water.  From the following, select the major species and the pH of the solution. 

 

A. K+, HF; HO−, H2O, pH = 8.23 

B. K+, F−,  H+, H2O, pH = 5.76 

C. K+, F−, H2O, pH = 8.23 

D. K+, F−, H2O, pH = 5.76 

E. None of these 

would be:, in w 

hich Kb = Kw/Ka. 

10.  When ammonia dissolves in water, the new major species present are: 

 

A. H2O; NH2–;H+ 

B. H2O; NH3 

C. H2O; NH4+;OH– 

D. H2O; NH2–; H+ 

E. H2O; N3–;H+ 

 

Page 144: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

143

11.  Which of the following is the conjugate base of the dihydrogenphosphate ion ? 

 

A. H3PO4 

B. NaH2PO4 

C. OH– 

D. HPO42– 

E. PO43– 

 

 

12.  A  1.35g  sample  of  ammonium  chloride  is  added  to  sufficient water  to  give  150.0 mL  of       

solution  whose  pH  is  less  than  7.0.    Several  dissociation  reactions  occur.   Which  of  the       

following goes essentially to completion? 

 

A.  H2O   H+ + OH– 

B.  NH4+   NH3 + H

C.  NH3   NH2– + H+ 

D.  NH4Cl   NH4+ + Cl– 

E.  NH4+ + H2O   H3O

+ + NH3 

 

 

13.  Calculate [H+] in a 0.010M solution of HCN, Ka = 6.2 x 10–10. 

 

A. 1.0 x 10–7M 

B. 2.5 x 10–6M 

C. 3.6 x 10–3M 

D. 6.2 x 10–10M 

E. none of these is close 

 

Page 145: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

144

14. For a 0.080M aqueous solution of weak base B, pKb =9, which of the following is true? 

 

A. [B] ≅ 0.04M 

B. [B] = [OH−] 

C. [BH+] = [OH−] 

D. [B] = [BH+] 

Short Answer: 

 

15. a)  A solution of sodium cyanide labeled “0.200M NaCN (aq)” has a pH =11.31.   

Calculate the Ka of HCN. 

 

 

 

 

 

 

 

b) The pH of an aqueous solution of ammonium cyanide is less than 7, greater than 7, or 

undetermined. Give a brief explanation. 

 

Page 146: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

145

16. Consider the following acids: 

       HW (pKa = 2),   HX (pKa = 6),  HY (pKa = 10),  and HZ (pKa = 20) 

 

a) The conjugate bases of which of the above acids would react almost completely with water 

to form hydroxide ion?a, and thus the weakest acid.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) If you want to convert HX to X−, which of the other bases W−, Y−, Z− can you use?   

Answer: Y−, Z−

Page 147: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

146

X. Applications of Aqueous Equilibria 

 

10.1 Chapter Summary 

 

Buffer Solution: contains both a weak acid and its conjugate base as major species in solution,  

pH  = pKa  +  logBA

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

 

Buffer  Capacity:  the  amount  of  added  H3O+  or OH−  the  buffer  solution  can  tolerate without 

exceeding a specified pH range 

pH Titration Curve: a plot of the pH of the solution as a function of the volume of added titrant. 

Indicator: a weak organic acid that contains a highly delocalized π‐bonding network, at pH < pKa 

of  the weak organic acid,  the  indicator  is  in  its protonated  form and at pH > pKa of  the weak 

organic acid, the indicator gives up its proton and is converted to its conjugate base 

Equivalence Point:  the point at which stoichiometrically equivalent quantities of acid and base 

have been mixed together. 

End Point: the point at which the indicator changes color. Although the equivalence point is not 

necessarily the same as the end point, careful selection of the indicator will ensure that the error 

is negligible. 

Titration of Weak Acid with Strong Base: at the midpoint of a titration of a weak acid by a strong 

base, the pH of the solution equals the pKa of the weak acid 

Solubility Product (Ksp): describes a solubility equilibrium from the perspective of a salt dissolving 

in water.  This  is  an  equilibrium  constant  and  has  only  one  value  for  a  given  solid  at  a  given 

temperature. 

Solubility: describes an equilibrium position.  It has different units, such as g/mL   or mol/L. The 

solubility varies according to the concentrations of the ions present in the solution. Common ion 

effect  may  change  the  solubility  significantly.  However,  in  all  cases  the  product  of  the  ion 

concentrations must satisfy the Ksp expression.  

Page 148: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

147

Question ALERT! A common question is related to the pH  calculation of various 

titration curves. 

10.2 Buffer Solutions 

 

10.2.1 Characteristics of a buffer solution 

A  solution  which  resists  change  in  pH  when  a  small  amount  of 

strong acid or base is added is called a buffer. 

It contains a weak acid and its conjugate base 

Ratio between acid and its conjugate is between 0.1 and 10. 

The total concentration is not too low 

 

10.2.2 Buffer capacity 

This is the amount of acid or base neutralized by the buffer before there is a significant change in 

pH.  

 

A buffer solution works because there are a significant amount of acid and base coexisting in the 

solution.  If a  small amount of  strong base  is added,  the acid component of  the  suffer  solution 

neutralizes the added base, making the pH relatively stable;  if a small amount of strong acid  is 

added,  the base  component of  the buffer  solution neutralizes  the  added  acid, making  the pH 

relatively stable. Thus, Buffer capacity depends on the composition of buffer: 

(i) the total amount of the conjugate acid‐base pair present; 

(ii) the ratio of the conjugate acid‐base pair (It would be better if the ratio is close to 1). 

The Effective range of buffer is pH = pKa ± 1. 

 

Page 149: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

148

10.2.3 Making a buffer 

 

Add conjugate pairs to water   NH3/NH4Br or CH3COOH/CH3COONa 

Add strong base into weak acid ( partial neutralization) 

Add strong acid into weak base ( partial neutralization) 

 

It is always best to choose the pKa of the weak acid close to the pH of the buffer required in order 

to make a buffer with high capacity.  

Henderson‐ Hasselbalch equation is used to calculate the pH: base logacidapH pK ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟

⎝ ⎠  

 

10.3 Acid‐Base Titrations 

 

10.3.1  Titration 

In an acid‐base titration a solution containing a known concentration of base  is slowly added to 

an acid until  the acid  is completely neutralized. Alternatively, a known concentration of acid  is 

slowly added to a basic solution until the base is completely neutralized. 

 

• The equivalence point  is the point at which a stoichiometrically equivalent amount of base 

and acid are used  

• This  situation  can  be  identified  by  noting  an  appropriate  (pH‐induced)  color  change  in  an 

indicator that is added to the solution. Or a pH meter can be used to measure the pH of the 

solution as a function of added base  

• A graph or plot of the pH as a function of added titrant (e.g. base solution) is called a  

  titration curve 

  

Page 150: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

149

10.3.2  Titration curve 

• A titration curve can help to figure out when the equivalence point occurs, and also the value 

of  the  acid  or  base  dissociation  constant  (i.e.  Ka,  or  Kb).  The  titration  curve  can  also  help 

identify what type of indicator would be most useful in following the acid‐base neutralization 

reaction 

•  The end point  is where  the  indicator  changes  color. Careful  selection of  the  indicator will 

make the end point very close to the equivalence point. 

 

Strong Acid ‐ Strong Base Titration 

 

• A strong acid ionizes completely in solution. Likewise, a strong base.  

• Titration  curve  exhibits  a  large  change  in  pH  in  the  immediate  vicinity  of  the  equivalence 

point 

• pH = 7 at the equivalence point 

 

Weak Acid – Strong Base Titration 

 

• The strength of a weak acid has a significant effect on the shape of its pH curve. The vertical 

region that surrounds the equivalence point becomes shorter as the acid becomes weaker.  

• pH  is > 7 at the equivalence point because the anion of a weak acid is a base and  

  [OH–] =  ( )b bK c x− , where Kb = kw/Ka and cb  is the concentration of the conjugate base of 

the weak acid being titrated. The weaker the acid, the greater the pH value at the equivalence 

point. 

• In the region midway to the equivalence point, pH rises slowly due to the buffering action of 

the weak acid‐conjugate base mixture and pH = pKa for the weak acid exactly halfway to the 

equivalence point. 

• Beyond  the equivalence point,  the pH  is determined by  the concentration of OH–  from  the 

excess NaOH, which is the same as the curve for the strong acid‐strong base titration. 

 

Page 151: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

150

Weak Base ‐ Strong Acid Titration 

 

• The strength of a weak base has a significant effect on the shape of its pH curve. The vertical 

region that surrounds the equivalence point becomes shorter as the base becomes weaker.  

  pH  is < 7 at the equivalence point because  it  is a solution of the conjugate acid of the weak 

base and [H3O+] =  ( )a aK c x− , where Ka = kw/Kb and ca is the concentration of the conjugate 

acid of the weak base being titrated. The weaker the base, the smaller the pH value at the 

equivalence point. 

• In the region midway to the equivalence point, pH changes slowly due to the buffering action 

of the weak base‐conjugate acid mixture and pH = pKa for the conjgate acid exactly halfway 

to the equivalence point. 

• Beyond the equivalence point, the pH  is determined by the concentration of H3O+  from the 

excess strong acid, which is the same as the curve for the strong base – strong acid titration. 

 

10.3.3   Indicators 

• An acid‐base titration can be performed without measuring the pH of the solution, provided 

that  an  indicator  is  present  that  gives  a  colour  change  when  the  titration  reaches  the 

stoichiometric point. 

• The pH of a solution changes during titration.  As the pH passes the value of pKIn, the indicator 

changes colour.  A good indicator changes colour very near the pH of the stoichiometric point.  

• Because  this  pH  depends  on  the  pKa  of  the  substance  being  titrated,  different  titrations 

require different indicators.  

• Because the pH changes rapidly near the stoichiometric point, an  indicator  is suitable  if the 

pH at the stoichiometric point is within one unit of pKIn: pHstoichiometric point = pKIn ±  1 

Page 152: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

151

10.4 Solubility Equilibria 

 

10.4.1 Precipitation Equilibria 

The  solubility  product  (Ksp)  describes  solubility  equilibrium  from  the  perspective  of  a  salt 

dissolving  in water. When the solubility equilibrium  is reached, the solution  is saturated and no 

more solid can dissolve into the solution.  

For example, Ca3(PO4)2  (s) ↔ 3 Ca2+ (aq) + 2 PO43–(aq) 

Ksp = [Ca2+]3[PO43–]2. 

The equilibrium constant is called solubility product because the concentration of the solid on the 

left side is not included in the Ksp expression. 

 

10.4.2  Calculating Ksp from solubility 

 

Worked example 10.1 

 

A saturated solution of Ca(OH)2 prepared by dissolving solid Ca(OH)2 in water has its pH = 12.324. 

Calculate Ksp for Ca(OH)2. 

 

Solution: 

Step 1. Write the balanced equilibrium equation: 

  Ca(OH)2  (s)  ↔ Ca2+ (aq)  +  2 OH–(aq) 

[  ] at equilibrium, 

           (M) 

    0.010545    0.02109  

Step 2. Determine concentrations of all species: 

From pOH = 14 – PH = 1.676,                  [OH−] = 0.02109 M and [Ca2+] = 0.010545 M 

Ksp = [Ca2+][OH–]2 = (0.010545)(0.02109)2 = 4.69x10–6 

 

Page 153: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

152

T I P! Do not multiply by 2 

because OH−  and Ca2+ are from different sources.

In this example, [Ca2+] and [OH–] are in the ratio of 1:2 because the saturated solution is prepared 

by dissolution of Ca(OH)2 in pure water. If the saturated solution is prepared by mixing solutions 

of Ca(NO3)2 and NaOH, there will be no separate restrictions on [Ca2+] and [OH–] as the following 

example shows. 

 

Worked example 10.2 

 

A saturated solution of Ca(OH)2 prepared by mixing solutions of Ca(NO3)2 and NaOH has [Ca2+] = 

0.002168 M and pH = 12.6676. Calculate Ksp for Ca(OH)2. 

 

Solution: 

Step 1. Write the balanced equilibrium equation: 

  Ca(OH)2  (s)  ↔ Ca2+ (aq)  +  2 OH–(aq) 

[  ] at equilibrium,  

          (M) 

    0.002168    0.04652 

Step 2. Determine concentrations of all species: 

From pOH = 14 – pH = 1.3324,            [OH−] = 0.04652 M  

and [Ca2+] = 0.002168 M 

 

 

10.4.3  Calculating solubility from Ksp  

It is very important to distinguish between the solubility and its solubility product. The solubility 

product  is  an  equilibrium  constant  and  has  only  one  value  for  a  given  solid  at  a  given 

temperature. Solubility varies according to the concentration of the common  ion present  in the 

solution.  However,  in  all  cases  the  product  of  the  ion  concentrations  must  satisfy  the  Ksp 

expression.  

Page 154: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

153

Worked example 10.3 

 

Calculate the molar solubility of PbI2 in pure water at 25oC (given Ksp = 8.5x10–9) 

 

Solution: 

Step 1. Write the balanced equilibrium equation: 

  PbI2  (s)  ↔ Pb2+ (aq)  +  2 I–(aq) 

[  ] at equilibrium,  

             (M) 

    x    2x 

Step 2. Determine concentrations of all species: let x be the molar solubility of PbI2 

          [Pb2+] = x M and [I−] = 2x M    

   Ksp = [Pb2+][I–]2 = (x)(2x)2 = 8.5x10–9 

x = [Pb2+] = molar solubility = 1.29x10–3  M 

 

Note  that  the  number  2  appears  twice  in  the  expression  (x)(2x)2.  The  exponent  2  is  required 

because of the equilibrium equation, Ksp = [Pb2+][I–]2. The coefficient 2 in 2x is required because 

each mole of PbI2 that dissolves produces 2 mol of I–.  

Page 155: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

154

Worked example 10.4 

 

Calculate the molar solubility of PbI2 in 0.100 M NaI at 25oC (given Ksp = 8.5x10–9) 

 

Solution: 

Step 1. NaI is a strong electrolyte, which will ionize completely: 

NaI   →   Na+        +   I– 

(0.1 M)  0.1 M    0.1 M 

Write the balanced equilibrium equation : 

  PbI2  (s)  ↔ Pb2+ (aq)  +  2 I–(aq) 

[  ] at equilibrium,  

             (M) 

    x    0.1 + 2x 

Step 2. Determine concentrations of all species: let x be the molar solubility of PbI2 

          [Pb2+] = x M and [I−] = 0.1 + 2x M  (I− comes from two sources: 0.1 M is from the complete 

ionization of NaI and 2x  is  from  the  solid PbI2. Note  that 0.1 M  should not be multiplied by 2 

because it is from a different source.)    

   Ksp = [Pb2+][I–]2 = (x)(0.1+2x)2 = 8.5x10–9           (2x is negligible compared to 0.1) 

x = [Pb2+] = molar solubility = 8.5x10–7  M 

 

Note that the calculated solubility of PbI2 is much less than that in pure water (about 1 500) due 

to the common ion effect (I–), which shifts the equilibrium position in the direction that reduces 

this added concentration.  

Page 156: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

155

10.4.4  Determining whether a precipitate forms 

 

The forward direction of the solubility equilibrium is the dissolution of the solid and the reverse 

direction  is  the  formation of  the precipitate.  In order  to determine whether  a precipitate will 

form or not, we need to compare the reaction quotient (Q) with the equilibrium constant (K): 

If Q > K,  the  reaction proceeds  in  the  forward direction. The solution  is not saturated yet. The 

solid will dissolve and no precipitate forms; 

If Q = K,  the  reaction  is  just at equilibrium and  the  solution  is  just  saturated. There will be no 

precipitate produced; 

If Q < K, the reaction proceeds in the reverse direction, the precipitate will form. 

 

Page 157: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

156

Worked example 10.5 

 

Will a precipitate form when 30.0 mL of 0.001M Pb(NO3)2 and 20 mL of 0.001 M NaI  are mixed? 

(Ksp for PbI2 = 8.5x10–9) 

 

Solution: 

Step 1. Calculate the molar concentrations of all the ions in the solution by using c1V1=c2V2:  

  Pb(NO3)I2    →  Pb2+ (aq)  +  2  NO3–(aq) 

M  

In the solution 

30x0.001/50   6x10–4    1.2 x10–3 

 

  NaI   ↔ Na+ (aq)  +  I–(aq) 

M  

In the solution 

20x0.001/50   4x10–4    4 x10–4 

 

Step 2. Write the balanced equilibrium equation and show the concentrations of the ions present 

in the mixture in order to calculate the Q value: 

  PbI2  (s)  ↔ Pb2+ (aq)  +  2 I–(aq) 

[  ] at equilibrium,  

             (M) 

    6x10–4    4x10–4 

Q = [Pb2+][I–]2 = (6x10–4)( 4x10–4)2 = 9.6x10–11 < 8.5x10–9 = K  

         (2x is negligible compared to 0.1) 

x = [Pb2+] = molar solubility = 8.5x10–7  M 

 

Notice the differences between two equations: Q = [Pb2+][I–]2  and K = [Pb2+][I–]2. 

The concentrations used to calculate Q can be any values but the concentrations used to 

calculate K must be at equilibrium. 

Page 158: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

157

10.5 Complexation Equilibria 

 

Metal cations in aqueous solution can form bonds to anions or neutral molecules that have lone 

pairs of electrons.   This  leads to  formation of complex  ions and to chemical equilibria  involving 

complexation.  The complexation equilibrium between Ag+ and NH3 is an example: 

Ag+ (aq)  +  2 NH3 (aq)  ↔Ag(NH3)2+    Kf = 

[ ]3 2

23

( )Ag NH

Ag NH

+

+

⎡ ⎤⎣ ⎦⎡ ⎤⎣ ⎦

 

The treatment of complexation equilibria  is more complicated than treatments for acid‐base or 

solubility, both because the stoichiometries of complexes are not obvious and because complex 

formation and dissociation frequently involve multiple steps. 

Page 159: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

158

10.6 Practice Exam Questions  

 

Multiple Choice 

1.   The pH of a saturated solution of a slightly soluble metal hydroxide, M(OH)2  is 9.53 at 25oC.  

Its Ksp at this temperature is 

 

A. 1.15 x 10–9 

B. 5.76 x 10–10 

C. 1.95 x 10–14 

D. 2.89 x 10–10 

E. 3.39 x 10–5 

 

 

2.   Given that the following Solubility Products (Ksp) 

 

A. Co(OH)2  1.3 x 10–15 

B. Ag2CrO4  1.1 x 10–12 

C. PbCO3  7.4 x 10–14 

D. AgCl  1.8 x 10–10 

E. AgBr  5.0 x 10–13 

   

  Which compound is the most soluble (in moles/litre)? 

 

 

Page 160: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

159

3.   If 10mL of a 1.0 x 10‐4M solution of a strong acid were added to 100mL each of one solution     

containing 1.8 x 10‐5M HCl and a second solution containing 1.0 M acetic acid (Ka =1.8 x 10‐5)     

plus 1.0 M sodium acetate, it is expected that the: 

 

A. pH of both solutions would remain unchanged. 

B. change in pH would be very large in both solutions. 

C. change in pH would be the same in both solutions. 

D. change in pH would be larger in solution containing acetic acid and sodium acetate. 

E. change in pH would be larger in the HCl solution. 

 

 

4.   One  liter of a solution contains 0.500 moles each of HA and NaA.    If   0.0100 moles of HCl  is      

added to it, what would be the pH of the resulting solution assuming that its volume remains 

constant? (Ka for HA is 1.800×10−4) 

 

A. 0.300 

B. 2.000 

C. 3.727 

D. 3.745 

E. 3.762 

 

 

5.   How much  solid  NaCN must  be  dissolved  in  1.0L  of  a  0.5 M  HCN  solution  to  produce  a    

solution with pH 7.0? (Ka = 6.2×10−10 for HCN.) 

 

A. 0.0034 g 

B. 11 g 

C. 160 g 

D. 24 g 

E. 0.15 g 

Page 161: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

160

6.   Which of the following will NOT make a buffered solution? 

 

A. 100 mL of 0.1 M Na2CO3 and 50 mL of 0.1 M HCl 

B. 100 mL of 0.1 M NaHCO3 and 25 mL of 0.2 M HCl 

C. 100 mL of 0.1 M Na2CO3 and 75 mL of 0.2 M HCl 

D. 50 mL of 0.2 M Na2CO3 and 5 mL of 1.0 M HCl 

E. 100 mL of 0.1 M NaHCO3 and 50 mL of 0.2 M HCl 

 

 

7.   Which of the following solutions is not a buffer? 

1. 50 mL of 0.1 M acetic acid mixed with 25 mL of 0.05 M NaOH 

2. 100 mL of 0.1 M acetic acid mixed with 25 mL of 0.5 M NaOH 

3. 50 mL of 0.1 M acetic acid mixed with 25 mL of 0.05 M sodium acetate 

4. 50 mL of 0.1 M acetic acid mixed with 25 mL of 0.2 M NaOH 

5. 50 mL of 0.1 M sodium acetate mixed with 25 mL of 0.05 M NaOH 

 

A. none of the above 

B. 5 only 

C. 1, 2 and 5 

D. 3, 4 and 5 

E. 2, 4 and 5 

 

Page 162: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

161

8.   Ksp  for  AgCl  and  AgBr  are  1.8×10−10  and  3.3×10−13  respectively.    Solid  AgNO3  is  added 

dropwise to a solution which is 0.0010 M each in NaCl and NaBr.  What % of the bromide ions 

remain in solution just before AgCl begins to precipitate? 

 

A. 0.18 % 

B. 0.018 % 

C. 0.0018 % 

D. less than 0.00010 % 

E. more than 1.00 % 

 0.0 = 0.18 %. 

Short Answer 

9.   A mixture of the solids AgCl and CaCO3 sits at the bottom of a flask in equilibrium with their 

ions in aqueous solution. What should you do in order to separate the AgCl from the CaCO3 so 

that you can keep the AgCl (silver !!). Explain your procedures briefly. 

You may use the following reagents: AgNO3(aq), HCl(aq), NaOH(aq), Ca(NO3)2(aq). 

(Ksp for AgCl = 1.8×10−10, Ksp for CaCO3 = 5.0×10−9) 

 

Page 163: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

162

10. How many moles of NH3 are needed to prepare 100 mL of an ammonia solution that will have 

a pH of 11.11?  Kb (NH3) = 1.82×10−5. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. A  solution  is  0.200 M  in  both Ni2+  and  Fe3+.    Solubility  product  constants  for Ni(OH)2  and 

Fe(OH)3 are 6.0×10−16 and 3.0×10−39, respectively. 

 

A. What must  be  the  pH  of  the  solution  in  order  to  precipitate  99.99%  of  the  Fe3+  as 

Fe(OH)3? 

 

 

Page 164: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

163

 

B. Show that no Ni(OH)2 will have precipitated at the pH calculated in part a). 

 

 

 

 

 

 

 

 

C. At what pH will Ni(OH)2 first begin to precipitate? 

 

 

 

 

 

 

 

 

D. What is the concentration of Fe3+ when Ni(OH)2 first begins to precipitate? 

Page 165: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

164

XI. Thermodynamics 

 

11.1 Chapter Summary 

 

Second Law of Thermodynamics: any spontaneous process increases the disorder of the universe 

Entropy: the state function that provides a quantitative measure of disorder and is symbolized S, 

TqS T=Δ

 

Entropy Change of the Universe: total entropy change,  

ΔSuniverse =  ΔSsystem  +   ΔSsurroundings 

Reaction Entropies:  reaction pnS SΔ = Δ∑o o (products) − rn SΔ∑ o (reactants) 

Reaction Enthalpies:  reaction p fnH HΔ = Δ∑o o (products) −  r fn HΔ∑ o  (reactants) 

Free  Energy  (G):  a  state  function  whose  change  for  the  system  predicts  spontaneity  and  is 

defined by, Free energy = G = H − TS 

Change  in Free Energy: ΔGsys =   ΔHsys − TΔSsys, ΔGsys  is negative  for all  spontaneous processes 

under conditions of constant temperature and pressure 

Standard Molar Free Energy of Formation ( ofGΔ ): the change of free energy when one mole of 

that substance is formed from elements in their standard states,  

  reaction p fnG GΔ = Δ∑o o (products) −  r fn GΔ∑ o (reactants) 

Entropy  Change  under Non‐Standard  Conditions:  can  be  expressed  in  terms  of  the  standard 

entropy change and Q: 

ΔSreaction  =  oreactionSΔ  − R ln Q 

Qlnreactionreaction RTGG +Δ=Δ o  

Page 166: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

165

Influence of Temperature on Spontaneity:  oTGΔ  =  oHΔ − T  oSΔ  

oHΔ   oSΔ   oGΔ (high T)  oGΔ (low T)  Spontaneity 

−  +  −  −  All T 

+  −  +  +  No T 

+  +  −  +  High T 

−  −  +  −  Low T 

Page 167: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

166

surrHS

T−Δ

Δ =

ΔSuniverse = ΔSsystem + ΔSsurroundings

Important Concept!  It involves two factors: 1. The enthalpy change for the reaction 2. The constant temperature of the surroundings. 

11.2 Spontaneity and Entropy 

 

Every process has a preferred direction, which is referred to in thermodynamics as the 

spontaneous direction.  A process follows its spontaneous direction unless acted on by some 

external intervention.  

 

11.2.1 Entropy and the Second Law of thermodynamics 

 

Entropy: the state function that provides a quantitative measure of disorder and is symbolized S 

The Second Law of Thermodynamics provides a clear‐cut criterion of spontaneity:  

the total entropy of the universe increases in spontaneous processes, 

that is,  

 

 

If ΔSuniverse > 0,  the reaction is spontaneous. 

If ΔSuniverse < 0,  the reaction is nonspontaneous. 

If ΔSuniverse = 0,  the reaction mixture is at equilibrium. 

To determine ΔSuniverse, we need ΔSsystem and ΔSsurroundings.  

For a reaction that occurs at constant pressure,  

ΔSsurr can be calculated according to the 

equation: 

 

 

• Because ΔH is an energy term, the units of ΔS are energy/temperature, or J/K. 

• If the reaction is exothermic, ΔH is negative, but since heat flows into the surroundings, ΔSsurr 

is positive. 

• At low temperature, there is little disorder, so the addition of given amount of heat increases 

the disorder of the surroundings significantly.  

• At high temperature, in contrast, there is considerable disorder, so adding the same amount 

of heat increases total disorder of the surroundings by a smaller amount. 

Page 168: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

167

11.2.2 Standard Reaction Entropies 

 

ΔSsystem is the entropy change of the reaction, ΔSreaction, is which can be calculated from standard 

molar entropies in exactly the same way as reaction enthalpies can be calculated from standard 

heats of formation. 

 

 

 

11.3 Spontaneity and Free Energy 

 

Free Energy (G): a state function whose change for the system 

predicts spontaneity and is defined by the equation below: 

 

The definition of free energy gives an equation that relates the 

change in free energy for any system to other thermodynamic 

changes: 

 

ΔGsys  is  negative  for  all  spontaneous  processes  under  conditions  of  constant  temperature  and 

pressure. 

Because  free  energy  is  a  state  function,  its  values  can  be  tabulated  for  use  in  chemical 

calculations.   

 

The Standard Free Energy of Formation ( ofGΔ ) of a substance is the change of free energy when 

one mole  of  that  substance  is  formed  from  its  stable  elements  in  their  standard  states.    To 

calculate the free energy change for any chemical reaction: 

 

reaction no oS SΔ = Δ∑ (products) − n oSΔ∑ (reactants)

Free energy = G = H − TS

ΔGsys = ΔHsys − TΔSsys

reaction p rn ( ) n ( tan )o o of fG G products G reac tsΔ = Δ − Δ∑ ∑

Page 169: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

168

11.4 Change in Free Energy under Non‐standard Conditions 

 

Standard State Conditions: Solids,  liquids, and gases are  in pure form at 1 atm pressure; solutes 

are at 1 M concentration at a specified temperature, usually at 25oC.  

 

Many chemical reactions occur at different concentrations, pressures, and temperatures.  To use 

GΔ as  a measure  of  spontaneity  under  nonstandard  conditions, we must  calculate  ∆G  under 

nonstandard‐state conditions. 

 

11.4.1  ∆G at different temperatures 

 

Changing the temperature of the system is one way to influence the spontaneity of a reaction.  

The equation for ΔG has two parts, ΔH and TΔS, which can work together or in opposition:                     

 

 

This  equation  is  valid  at  any  temperature  as  long  as  the  temperature  is  constant.  However, 

application of the equation at a temperature different from 298 K requires the appropriate values 

of  ΔHreaction  and  ΔSreaction  at  the  corresponding  temperature.  The  temperature  effect  on  the 

entropy  change  for  a  reaction  is  usually  small  enough  that  we  can  consider  ΔSreaction  to  be 

independent  of  temperature.    ΔHreaction  also  does  not  change  rapidly with  temperature.  As  a 

result, free energy changes at temperatures other than 298 K can be estimated by assuming that 

standard enthalpies and entropies at 298 K also apply at any other temperature. 

reaction, reaction reactionTG H T SΔ ≅ Δ − Δo o o

Page 170: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

169

Qlnreactionreaction RTGG +Δ=Δ o

The effects of temperature on spontaneity are summarized in the table below: 

 

Influence of Temperature on Spontaneity 

 

oHΔ   oSΔ   oGΔ (high T)  oGΔ (low T)  Spontaneity 

−  +  −  −  All T 

+  −  +  +  No T 

+  +  −  +  High T 

−  −  +  −  Low T 

 

 

11.4.2  ∆G under different concentrations and pressures 

 

 

 

where Q is the reaction quotient. 

 

For reactions that involve gases, Qp should be used because the standard state for gases is 1 atm 

pressure. 

 

For reactions that  involve solutes  in solution, Qc should be used because the standard state for 

solutes is 1 M concentration. 

 

For reactions that involve both gases and solutes in solution, Q contains partial pressures of gases 

and molar concentrations of solutes. 

 

Page 171: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

170

11.4.3  Comparison of different methods to calculate ∆G  

 

Methods to calculate ∆G  Comments 

reaction p rn ( ) n ( tan )o o of fG G products G reac tsΔ = Δ − Δ∑ ∑ ∆Go under standard conditions at 25oC 

when ∆Gfo ‘s are given. 

∆Go = – RT ln K  ∆Go under standard conditions at the given 

temperature when K is given. 

Additivity rule similar to those for finding ∆H using 

Hess’s law. 

∆Go under the same condition as the 

reactions given. 

∆G = ∆H – T ∆S  ∆G at different temperatures. Note that ∆H 

and ∆S  are temperature insensitive. 

∆G = ∆Go + RT ln Q  ∆G at nonstandard conditions. 

Note that ∆G  is temperature is sensitive. 

Page 172: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

171

11.5 Practice Exam Questions   

Multiple Choice 

1.   For the process CHCl3 (s)  →  CHCl3 (l),  oHΔ  = 9.2 kJ/mol and  oSΔ = 43.9 J/mol⋅K.  What is the 

melting point of chloroform? 

 

A. −63 Co  

B. 210 Co  

C. 5 Co  

D. 63 Co  

E. −5 Co  

 

 

2.  Calculate  oGΔ  for H2O (g)  +  ½ O2 (g) ↔  H2O2 (g) at 600 K using the following data: 

H2 (g)  +   O2 (g)  ↔     H2O2   (g)  Kp = 2.3×106 at 600 K 

            2 H2 (g)  +   O2 (g) ↔   2 H2O (g)  Kp = 1.8×1037 at 600 K 

 

A. +140 kJ 

B. −220 kJ 

C. −290 kJ 

D. −350 kJ 

E. +290 kJ 

 

 

Page 173: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

172

3.   A mixture of hydrogen and chlorine does not react until it is exposed to ultraviolet light from 

a burning magnesium strip.  Then the following reaction occurs very rapidly: 

H2 (g)   +   Cl2 (g)  ⎯→  2 HCl (g)    ΔG = −45.54 kJ 

          ΔH = −44.12 kJ 

          ΔS = −4.76 J/K 

         

Which statement best explains this behavior? 

 

A. The reactants are thermodynamically more stable than the products. 

B. The reaction has a small equilibrium constant. 

C. The ultraviolet light raises the temperature of the system and makes the reaction more 

favorable. 

D. The negative value for ΔS slows down the reaction. 

E. The reaction is spontaneous, but the reactants are kinetically stable. 

Answer: E

Solution: Once the reaction has started, it will go by itself. This means that it is spontaneous. Spontaneity has nothing to do with the rate. In this case, the rate is slow under normal temperature.

Page 174: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

173

Short Answer: 

4.   Fe3O4, magnetite and Fe2O3, haematite, are two prevalent oxides of iron.  Given the following 

thermodynamic data at 298 K: 

  Fe2O3 (s)  Fe3O4(s)  O2 (g) 

ΔHf° (kJ/mol)  −824.2  −1118.4  0 

S° (J/K mol)  87.4  146.4  205.1 

 

A.  Write a balanced reaction equation for the thermal decomposition of one mole of Fe2O3 

into Fe3O4 and O2. 

 

 

 

 

B.  Calculate ΔG° for the thermal decomposition of one mole of Fe2O3. 

 

 

 

 

 

C.  Is the decomposition reaction thermodynamically spontaneous under a partial O2 (g) 

pressure of 0.010 atm?  Explain your reasoning. 

 

Page 175: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

174

5.   A beaker of water is put under an air‐tight bell jar that is kept at 10°C.  The air is removed 

and, after the system is allowed to come to equilibrium, a quantity of water remains in the 

beaker. 

 

  ΔHf°  (kJ mol−1)  S°(J mol−1 K−1) 

H2O (l)  −286  70 

H2O (g)  −242  189 

 

A.   Calculate ΔH° and ΔS° for the vaporization of one mole of water. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B.   The standard entropy, ΔS°, of vaporization of water is greater than that of a “typical” 

liquid.  Give a possible explanation for this in one sentence only. 

 

 

 

 

Page 176: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

175

 

C.   Determine the equilibrium vapor pressure of water at 10°C. Assuming that ΔH° and ΔS° 

are temperature independent for the vaporization of water 

Page 177: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

176

XII. Electrochemistry 

 

12.1 Chapter Summary 

 

Oxidation number: the assumed charge 

Oxidation: the loss of electrons from a substance 

Reduction: the gain of electrons by a substance 

Balancing  redox  Equations:  the  key  to  balancing  complicated  redox  equations  is  to  balance 

electrons as well as atoms 

Indirect Electron Transfer: spontaneous redox reactions can occur by  indirect electron transfer, 

species  involved  in  the  redox  chemistry are not allowed  to  come  into direct  contact with one 

another 

Salt Bridges: serve as separators that allow ion migration without free mixing of solutions 

Electrodes: some redox reactions take place at the surfaces of metal plates, where electrons are 

gained and lost by metal atoms and ions 

Anode: the electrode where oxidation occurs  

Cathode: the electrode where reduction occurs  

Galvanic Cells: use redox reactions to generate electrical current, Galvanic cells find wide usage 

in the form of batteries.  

Cell Potential: the difference in electrical potential between the two electrodes, when a reaction 

is multiplied by any integer, its cell potential remains unchanged. 

Molar  Free  Energy  Change:  the  product  of  the  electrical  potential,  the  number  of  electrons 

transferred, and the Faraday constant: ΔG = –nFE where F = 96,485.34 C mol–1 

Standard Potential and Equilibrium Constant: –RT ln Keq = nFE°     ⇒      eqKnFRTE ln=°  

Nernst Equation:  QnFRTEE ln−°=  

Page 178: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

177

12.2 Recognizing Redox Reactions 

 

12.2.1  Oxidation‐Reduction Reactions 

In a redox reaction, one species loses electrons while another species gains electrons. 

Oxidation is the loss of electrons from a substance. 

Reduction is the gain of electrons by a substance. 

(OIL RIG) (LEO says GER) 

A chemical species that loses electrons is oxidized, and a chemical species that gains electrons is 

reduced.    Remember  also  that  electrons  are  conserved  in  all  chemical  processes.    That  is, 

electrons  can  be  transferred  from  one  species  to  another,  but  they  are  neither  created  nor 

destroyed.  Thus it is impossible for oxidation to occur without reduction also occurring, because 

when one species gains electrons, another species must  lose electrons. Oxidation and reduction 

always occur together. 

The oxidizing agent makes others to be oxidized but itself is reduced;  

the reducing agent makes others to be reduced but itself is oxidized. 

 

12.2.2  Oxidation Numbers 

In  a  redox  reaction,  electron  transfer  causes  some  of  the  atoms  to  change  their  oxidation 

numbers.    Thus  redox  reactions  can  be  identified  by  noting  changes  in  oxidation  numbers. 

Oxidation  increases  the  oxidation  number  of  an  element  by  losing  its  electrons;  reduction 

decreases the oxidation number by gaining electrons. 

 

There are 5 basic guidelines for assigning oxidation numbers: 

1. An atom in its elemental state has an oxidation number of 0 

2. A simple  ion has  its oxidation number equal to  its charge; an  ion from  IA group  is +1; an  ion 

from IIA group is +2; F is –1 in all compounds. 

3. Hydrogen is usually +1; it is –1 when bonded to a metal, such as NaH, CaH2. 

4. Oxygen is usually –2 but it can be others. 

5. The sum of the oxidation numbers is equal to the net charge. 

Page 179: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

178

T I P! Assign x for the last one in order to calculate the oxidation number 

Worked example 12.1 

 

Assign oxidation numbers to each atom in the following substances: 

 

A. Fe3O4     

B. NH4NO3   

C. H2O2     

D. OF2    

E. Na2Cr2O7  f) Fe 

 

Solution:                                                              

                                                                                                                                      

A.   3x + 4(–2) = 0;  x = 8/3        note that oxidation number can be fractions. 

B.   Break it to the ions: NH4+   and NO3

– and calculate the oxidation numbers separately 

x + 4(1) = 1;  x = – 3;   y + 3(–2) = –1;  y = +5 

C.   Based on the rules, H is assigned as +1 and leave O as x; 2(1) + 2x = 0;  x = –1 

D.   Based on the rules, F is assigned as –1 and leave O as x; x + 2(–1) = 0;  x = + 2 

E.   Break it to the ions: Na+ and Cr2O7–2 and calculate the oxidation numbers separately 

Na is +1 based on the rule #2; assign x for Cr and the equation is: 2x + 7(–2) = –2;  x = 6 

F.   Fe is 0 based on the rule #1. 

 

Oxidation 

number 

a

X  –2  b)  x  +1  y  –2  c)  +1  x  d)  x  –1 

Formula    Fe3  O4    N  H4  N  O3    H2  O2    O   F2    

Page 180: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

179

12.3 Balancing Redox Reactions 

The  key  to  balancing  complicated  redox  equations  is  to  balance  electrons  as well  as  atoms.  

Because electrons do not appear in chemical formulas or balanced net reactions, the number of 

electrons  transferred  in  a  redox  reaction often  is not obvious.    To balance  complicated  redox 

reactions, therefore, we need a procedure that shows the electrons involved in the oxidation and 

the reduction.  

 

Page 181: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

180

12.3.1  Balancing Redox Molecular Reactions Using the Oxidation Number Method 

 

Worked example 12.2 

 

Balance the equation using the oxidation number method: 

KMnO4 + H2O2 + H2SO4  →   MnSO4 + O2  

 

Solution: 

Step 1. Assign oxidation numbers to each atom in the equation: 

Step 2. From the changes of the oxidation numbers, find the electrons gained or lost, multiply the 

number restricted due to the formula: 

Mn changes from (+7) in KMnO4 to (+2) in MnSO4:  Mn gains 5 electrons; 

O changes from (–1) in H2O2 to (0) in O2: O loses 1x2 electrons (multiply 1 by 2 due to the 

restriction of two O in the formula H2O2). 

Step 3. Multiply by the appropriate number to make the number of electrons gained equal to the 

number of electrons lost. 

The least common multiple of 5 and 2 is 10. It requires 2 Mn and 10 O. 

2 KMnO4 + 5 H2O2 + H2SO4  →  2 MnSO4 + 5 O2  

Step 4. Balance the other spectators except H and O.  

2 KMnO4 + 5 H2O2 + 3 H2SO4  →  2 MnSO4 + 5 O2 + K2SO4 

Step 5. Balance H by using H2O. 

2 KMnO4 + 5 H2O2 + 3 H2SO4  →  2 MnSO4 + 5 O2 + K2SO4 + 8 H2O 

Step 6. Use O to check that both sides are balanced. 

    Left side: 8 + 10 + 12      Right side: 8 + 10 + 4 + 8 

Both sides are equal and the equation is balanced. 

 

Page 182: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

181

12.3.2  Balancing Redox ionic Reactions Using the half‐Reaction Method 

This is done in 4 steps (5 steps for basic solution), which must be followed in the order listed: 

 

Step 1: Break the unbalanced equation into half‐reactions by inspection. 

Step 2: Balance each half‐reaction, following the four‐step procedure. 

A. Balance all elements except O and H. 

B. Balance O using H2O. 

C. Balance H using H+. 

D. Balance the charge using electrons 

Step 3: Multiply the half‐reactions by integers that will lead to cancellation of electrons. 

Step 4: Add the half‐reactions, and cancel identical species. 

Step 5: If the reaction takes place in basic solution, add the appropriate number of OH –  to both 

sides of the equation to neutralize the H+, and cancel identical H2O if necessary. 

Page 183: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

182

Worked example 12.3       

 

Balance the equation in acidic solution: 

Cr2O7 2–  + C2H5OH →  Cr3+  +  CO2  

 

Solution: 

Step 1. Write the half‐reactions: 

Cr2O7 2–   →  Cr3+  

C2H5OH →  CO2  

Step 2: Balance half‐reactions: 

a) Balance all elements except O and H. 

Cr2O7 2–   →  2 Cr3+  

C2H5OH →  2 CO2  

b) Balance O using H2O. 

Cr2O7 2–   →  2 Cr3+  + 7 H2O 

C2H5OH  + 3 H2O  →  2 CO2  

c) Balance H using H+. 

14 H+ + Cr2O7 2–   →  2 Cr3+  + 7 H2O 

C2H5OH  + 3 H2O  →  2 CO2  +  12 H+ 

d) Balance the charge using electrons 

14 H+ + Cr2O7 2–   + 6 e →  2 Cr3+  + 7 H2O   (gaining electrons is reduction) 

C2H5OH  + 3 H2O  →  2 CO2  +  12 H+  +  12 e  (losing electrons is oxidation) 

Step 3:    Multiply the half‐reactions by integers that will lead to cancellation of electrons. 

28 H+ + 2 Cr2O7 2–   + 12 e →  4 Cr3+  + 14 H2O 

C2H5OH  + 3 H2O  →  2 CO2  +  12 H+  +  12 e 

Step 4:    Add the half‐reactions, and cancel identical species. 

16 H+ + 2 Cr2O7 2–   + C2H5OH  →  4 Cr3+  + 11 H2O  + 2 CO2   

Page 184: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

183

Worked example 12.4       

 

Balance the equation in basic solution: 

Ag  +  CN –  + O2 →  Ag(CN)2 – 

 

Solution: 

Step 1. Write the half‐reactions: 

Ag  +  CN –   →  Ag(CN)2 – 

                  O2 →   

Step 2:  Balance half‐reactions: 

a) Balance all elements except O and H. 

Ag  +  2 CN –   →  Ag(CN)2 – 

                  O2 →   

b) Balance O using H2O. 

Ag  +  2 CN –   →  Ag(CN)2 – 

                  O2 →  2 H2O 

c) Balance H using H+. 

Ag  +  2 CN –   →  Ag(CN)2 – 

           4 H+  +  O2 →  2 H2O 

d) Balance the charge using electrons 

Ag  +  2 CN –   →  Ag(CN)2 –  + e  (losing electrons is oxidation) 

           4 H+  +  O2 + 4 e →  2 H2O (gaining electrons is reduction) 

Step 3:  Multiply the half‐reactions by integers that will lead to cancellation of electrons. 

4 Ag  +  8 CN –   →  4 Ag(CN)2 –  + 4 e 

           4 H+  +  O2 + 4 e →  2 H2O 

Step 4: Add the half‐reactions, and cancel identical species. 

4 Ag  +  8 CN –   +  4 H+  +  O2 →  4 Ag(CN)2 –  +  2 H2O 

Page 185: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

184

Step 5:   Add 4 OH –  to both sides of the equation to neutralize the 4 H+ on the left,  and cancel 2  

H2O on both sides. 

4 Ag  +  8 CN –   +  2 H2O  +  O2 →  4 Ag(CN)2 –  +  4 OH– 

 

12.4 Standard Reduction Potentials 

 

12.4.1  Definition of Standard Reduction Potentials 

 

Here  is  a  summary  of  the  definitions  and  conventions  for  working  with  electrochemical 

potentials:  

 

1.   Standard  conditions  for  electrochemical  half‐reactions  are  the  same  as  those  in 

thermodynamics:  25 °C (298.15 K), 1 M for solutes, and 1 atm for gases. 

2.   Standard  reduction  potentials  (Eo)are  assigned  to  half‐reactions  written  as  reduction 

processes   (gaining electron reaction). 

3.   The half‐reaction under standard conditions, written in either directions (2 H+ + 2e → H2 or  

      H2 → 2 H+ + 2e ), is assigned an arbitrary reference potential of zero volts. 

4.   Whenever the direction of a half‐reaction is reversed, the sign of Eo must be reversed. 

5.   The value of Eo is not changed when a half‐reaction is multiplied. 

 

12.4.2  Meaning of Standard Reduction Potentials 

1.   It is a measure of the tendency to have a reduction reaction; the higher the reduction 

potential, the greater the tendency for the reduction reaction. 

2.   It is a measure of the ability to gain electrons; the higher the reduction potential, the greater 

the tendency of gaining electrons. 

3.   It is a measure of the relative strength of the oxidizing agent; the higher the reduction 

potential, the stronger the oxidizing agent will be. 

 

Page 186: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

185

12.4.3. Predicting Spontaneous Redox Reactions 

The  relative  values  of  standard  reduction  potentials would  enable  us  to  arrange  oxidizing  or 

reducing  agents  in  order  of  increasing  strength,  and  this  would  permit  us  to  predict  the 

spontaneity of redox reactions.  

 

Worked example 12.4  

 

Predict whether the reaction can occur under standard state conditions: 

2 Ag+  +  Zn  →  2 Ag  +  Zn2+ 

 

Solution:  

Method 1. Compare relative strength of the oxidizing and reducing agents 

    Ag+  +  e  ↔   Ag     Eredo  = 0.80 V 

    Zn2+  +  2e  ↔   Zn     Eredo  = –0.76 V 

 

Ag+ is a stronger oxidizing agent than Zn2+ and  Zn is a stronger reducing agent than Ag. 

The  reaction will proceed  spontaneously  from  the  stronger oxidizing  agent  (Ag+)  and  reducing 

agent (Zn ) to form the weaker reducing agent (Ag) and oxidizing agent (Zn2+) direction. 

The reaction (2 Ag+  +  Zn  →  2 Ag  +  Zn2+) is spontaneous in the forward direction. 

 

Method 2. Use the value of Eo for the reaction. 

Reduction:    [ Ag+  +  e  →   Ag ] x 2    Eredo  = 0.80 V 

Oxidation:   Zn → Zn2+  +  2e        Eoxo  = –(–0.76) V 

Overall reaction: 2 Ag+  +  Zn  →  2 Ag  +  Zn2+ Eo = 1.56 V 

Because Eo is positive, the reaction is a spontaneous one under the standard conditions. 

 

Page 187: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

186

Remember that: 

(i) Eo for oxidation of Zn is the negative of the standard reduction potential (–0.76 V ) 

(ii) We do not multiply the Eo value for reduction of Ag+ ( 0.80 V)  by a factor of 2 as mentioned in 

section 12.4.1. 

 

Method  3.  From  the  metal  reactivity  series,  Zn  is  more  reactive  than  Ag  and  the  single 

displacement reaction ( 2 Ag+  +  Zn  →  2 Ag  +  Zn2+) will take place spontaneously. 

 

Page 188: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

187

12.5 Galvanic cells  

When a  redox  reaction occurs  in solution,  the electrons are  transferred directly, and no useful 

work  can  be  obtained  from  the  chemical  energy  involved  in  the  reaction.  However,  if  the 

oxidizing agent  is physically separated  form the reducing agent so that the electrons must  flow 

through a wire from one to the other, the chemical energy can produce useful work. A galvanic 

cell is a device in which chemical energy is transformed to electrical energy.  

 

12.5.1 Description of a Galvanic Cell 

The description will include the cell reaction, the cell potential, and the physical setup of the cell.  

 

Worked example 12.5  

 

Describe a galvanic cell based on the following half‐reactions: 

 

Solution: 

Step 1. Determine the cell potential: 

A cell will always run spontaneously in the direction that produces a positive cell potential. Thus, 

the half‐reaction involving Fe with lower reduction potential must be reversed, since this choice 

leads to a positive cell potential: 

    Fe   →  Fe2+   + 2e          Eo  = –(–0.44) V 

    MnO4–  + 8 H+  +  5e  →   Mn2+ + 4 H2O     Eo  = 1.51 V 

The cell potential is Ecell =  –(–0.44) V + 1.51 V = 1.95 V. 

 

Page 189: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

188

Step 2. Describe the reactions at the electrodes and the cell reaction. 

Because we have determined the directions of half‐reactions, it is easy to know: 

The electron‐losing reaction is oxidation at the anode:  [ Fe   →  Fe2+  + 2e  ] x 5 

The electron‐gaining reaction is reduction at the cathode:  

              [ MnO4– + 8 H+ + 5e → Mn2++ 4 H2O ] x 2 

The overall cell reaction is:   2 MnO4– + 16 H+ + 5 Fe → 2 Mn2++ 8 H2O + 5 Fe

2+ 

 

Step 3. The shorthand notation for the cell 

Fe(s) │ Fe2+(aq) ║ MnO4– (aq), Mn2+(aq)│Pt 

 

The left side is the anode (negative electrode) and the right side is the cathode ( positive 

electrode). The electrons flow from Fe to MnO4– , or from the anode to the cathode through the 

external wire, and ions flow from one compartment to the other to keep the net charge zero, as 

is always the case. 

 

12.5.2  Shorthand Notation for Galvanic Cells 

 

It is convenient to use a shorthand notation for representing the cell. For a cell reaction 

Sn2+  +  2 Ag+ →  2 Ag  + Sn4+  

We can write the following expression: 

Pt(s) │ Sn2+(aq), Sn4+(aq) ║Ag+(aq) │Ag 

 

A.   A single vertical line represents a phase boundary but different solutes are separated by a 

comma 

B.   A double vertical line denotes a salt bridge 

C.   The electrodes are written on the extreme left (anode) and on the extreme right (cathode) 

D.   The reactants in each half‐cell are written first, followed by the products.  

 

With these arbitrary conventions, electrons move through the external circuit from left to right 

(from anode to cathode or from negative to positive ). 

Page 190: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

189

12.5.3  General Rules for Anode and Cathode 

Anode: Is where oxidation occurs   Cathode: Is where reduction occurs 

  Is where electrons are produced    Is where electrons are consumed 

  Is what anions migrate toward    Is what cations migrate toward 

  Has a negative sign          Has a positive sign 

 

12.6 Cell Potentials and Free‐Energy Changes  

12.6.1 Cell Potential and Work 

Electrons  flow  through  the  external  circuit  from  the  anode  (–  electrode)  to  the  cathode  (  + 

electrode). The work that can be accomplished when electrons are transferred depends on the 

“push”  (the  electromotive  force  )  behind  the  electrons.  This  driving  force  (emf)  is  defined  in 

terms of a potential difference ( in volts), or the cell potential.  

emf = cell potential ( V ) = work ( J ) / charge ( C )     or          w = – q E                      (1) 

 

Work is done by the galvanic cell ( the system ). Thus work flowing out of the system is indicated 

by a minus sign. When a cell produces a current, the cell potential is positive, and the current can 

be used to do work. Thus the cell potential E and the work w have opposite sign. 

 

12.6.2 Free Energy and Electrochemistry  A spontaneous electrochemical reaction generates a positive cell potential.  Thermodynamically, 

the  spontaneity  of  a  redox  reaction  is  determined  by  its  free  energy  change:  A  spontaneous 

reaction has a negative ΔG. Thus, a reaction that has a negative change in free energy generates 

a positive cell potential: 

ΔGreaction < 0:    Spontaneous redox reaction 

        Ecell > 0:    Spontaneous redox reaction 

 

Page 191: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

190

12.6.3 Cell Potential and Free Energy 

The linkage between free energy and cell potentials can be made quantitative. The more negative 

the value of ΔG° for a reaction, the more positive its standard cell potential. 

The amount of charge provided by one mole of electrons is called the Faraday constant (F),  

(96,485.34 C mol‐1 or 96500 C/mol e) and we have  q = n F, in which n is the number of moles of 

electrons transferred during the process. Substitute the q into the equation (1): 

w =  – n F E                      (2) 

 

For a process carried out at constant temperature and pressure, the change in free energy equals 

the maximum useful work obtainable from that process: w = ΔG  

Substitute this into equation (2): 

ΔG  =  – nFE      (3) 

 

Remember  that  the  number  of  electrons  transferred  is  not  explicitly  stated  in  a  net  redox 

reaction.  This means that any overall redox reaction must be broken down into its balanced half‐

reactions  to  determine  n,  the  ratio  between  the  number  of  electrons  transferred  and  the 

stoichiometric coefficients  for  the chemical reagents.   The equation  (3) above applies under all 

conditions, including standard conditions.   

At standard conditions, ΔG = ΔG° and E = E°: ΔGo  =  – nFEo     (3) 

 

Page 192: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

191

12.6.4  Cell Potentials and Chemical Equilibrium 

Combining the equations: 

ΔG° = ‐nFE°   and    ΔG° = ‐RT ln Keq 

 

and  grouping  the  constants  gives  a  new  equation  that  links  standard  potentials  directly  to 

equilibrium constants: 

‐RT ln Keq = nFE°     ⇒      eqKnFRTE ln=°     or   eqK

nE logV0592.0

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=°   at 25oC 

 

12.6.5 The Nernst Equation 

The equation that links ΔG° with free energy changes under nonstandard conditions is: 

ΔG = ΔG° + RT ln Q 

 

Here,  Q  is  the  reaction  quotient.    We  can  see  how  concentration  and  pressure  affect  cell 

potentials by substituting for ΔG and ΔG° using ΔG = ‐nFE  and  ΔG° = ‐nFE°. 

‐nFE  =  ‐nFE° + RT ln Q 

Dividing both sides by (‐nF) gives the Nernst equation:    QnFRTEE ln−°=  

The  Nernst  equation  is  used  to  convert  between  standard  cell  potentials  and  potentials  of 

electrochemical  cells  operating  under  nonstandard  concentration  conditions.    When 

measurements are made at standard temperature, 298 K, the numerical value calculated earlier 

can replace RT/F: 

298KTwhenlogV 0.0592=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−°= Q

nEE  

Page 193: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

192

12.7 Electrolysis and Electrolytic Cells  

12.7.1 Electrolysis 

The equation that links ΔG° with free energy changes under nonstandard conditions is: 

ΔG = ΔG° + RT ln Q 

 

A galvanic cell produces current when an oxidation‐reduction reaction proceeds spontaneously. 

An electrolytic cell uses electrical energy to produce chemical change. The process of electrolysis 

involves forcing a current through a cell to produce a chemical change for which the cell potential 

is  negative:  that  is,  electrical work  causes  an  otherwise  nonspontaneous  chemical  reaction  to 

occur.  The  process  of  using  an  electric  current  to  bring  about  chemical  change  is  called 

electrolysis. 

 

12.7.2 Electrolysis of water 

Hydrogen  and  oxygen  combine  spontaneously  to  form  water  and  that  the  accompanying 

decrease  in  free  energy  can  be  used  to  run  a  fuel  cell  to  produce  electricity.  The  reverse 

nonspontaneous process can be forced by electrolysis, which takes place in an electrolytic cell. An 

electrolytic cell has two electrodes that dip into an electrolyte and are connected to an external 

battery.   The battery pushes electrons  from  its negative terminal  into the cathode to  force the 

reduction  reaction  to  take  place  and  pulls  electrons  out  of  the  anode  to  force  the  oxidation 

reaction to take place. 

Anode reaction:    2 H2O    →    O2 + 4 H+ + 4e         Eox

o = – 1.23 V 

Cathode reaction:        4 H2O  +  4e   →   2 H2 + 4 OH–      Ered

o = – 0.83 V 

Net reaction:               6 H2O    →    2 H2 + O2 + 4 H+ + 4OH–       Eo = – 2.06 V 

or                                    2 H2O    →    2 H2 + O2             Eo = – 2.06 V 

(4 H+ + 4OH– →   4 H2O) 

 

Page 194: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

193

Note that these potentials assume an anode chamber with 1 M H+ and a cathode chamber with 1 

M OH–. In pure water, where [H+] = [ OH– ] =10–7 M, the potential for the overall process is –1.23 

V. 

 

12.7.3 Electrolysis of aqueous sodium chloride  

In the electrolysis of aqueous sodium chloride, the battery pushes electrons into the cathode and 

the cathode half‐reaction might be either the reduction of Na+ to sodium metal or the reduction 

of water to hydrogen gas: 

        Na+(aq) + e  →   Na(s)        Eredo = – 2.71 V 

  2 H2O(l)  +  2e   →   H2(g) + 2 OH–(aq)    Ered

o = – 0.83 V 

Because the standard reduction potential  is much  less negative for the reduction of water than 

for  the  reduction  of  Na+,  water  is  reduced  preferentially  and  bubbles  of  hydrogen  gas  are 

produced  at  the  cathode.  Notice  that  the  solution  at  the  cathode  will  be  basic  due  to  the 

production of OH–  and  the  anion OH–   will migrate  to  the  anode which  is  connected  to  the + 

terminal of the external battery. 

 

The  positive  terminal  of  the  battery  pulls  electrons  out  of  the  anode  to  force  the  oxidation 

reaction to take place. If there are different species at the anode, which one will be oxidized first? 

It would be easier to know the following qualitative rules: 

A.   If the electrode is made of a non‐inert metal, such as Cu or Fe, the metal will lose the electron 

to be oxidized first; 

B.   If the electrode is inert, the following is a list of increasing difficulties in transferring electrons 

from the species in the solution to the atoms on the electrode:  

  I– < Br– < Cl– < H2O 

Page 195: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

194

The Cl–  is oxidized preferentially and bubbles of chlorine gas are produced at the anode. 

The electrode reactions and overall cell reaction for electrolysis of aqueous sodium chloride are 

  Anode (oxidation):                 2 Cl– (aq) →  Cl2(g)  + 2 e      Eoxo = – 1.36 V 

Cathode (reduction):   2 H2O(l)  +  2e   →   H2 (g) + 2 OH–(aq)    Ered

o = – 0.83 V 

Overall cell reaction:      2 Cl– (aq) + 2 H2O(l)  →   Cl2(g) + H2 (g) + 2 OH–(aq)     Eo = – 2.19 V 

 

12.7.4 Quantitative aspects of Electrolysis 

Current 

and 

time 

 

↔ 

Quantity of 

charge in 

coulombs 

 

↔ 

Moles of 

electrons 

 

Moles of 

substance 

oxidized or 

reduced 

 

↔ 

Grams of 

substances 

oxidized or 

reduced 

   

The above  table shows how  the quantities of substances produced or consumed  in electrolysis 

are related to the quantity of electrical charge that  is used. The same relationships can also be 

applied to galvanic cells.  In other words, electrons can be thought of as reagents  in electrolysis 

reaction. 

 

Page 196: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

195

Worked example 12.5  

 

Determine  the mass of  copper  that  is plated out when  a  current of 10.0 A  is passed  for 30.0 

minutes through a solution containing Cu2+. 

 

Solution:  

Step 1. Calculate the charge in coulombs: Q = IΔt = 10 A (30x60 s) = 18000 C  ( note that 1 A = 1 

C/s) 

 

Step 2. Calculate the moles of electrons by using the conversion factor of 1 F = 96500 C/1 mol e. 

18000 C x 1

96500mol e

C = 0.187 mol e 

This means that 0.187 mol of electrons flowed into the Cu2+ solution. 

 

Step 3. Calculate the moles of copper produced 

From the balanced reduction half reaction:   Cu2+  +  2e →  Cu. 

1 mol Cu2+ requires 2 mol electrons to produce 1 mol Cu. 

0.187 mol e x 12mol Cumol e

 = 0.0935 mol Cu 

 

Step 4. Calculate the mass of copper produced 

0.0935 mol Cu x 63.546

1g

mol = 5.94 g Cu 

Page 197: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

196

12.8 Practice Exam Questions  

Multiple Choice 

1. A strip of copper is placed in a 1 M solution of copper nitrate and a strip of silver is placed in a 

1 M solution of silver nitrate.  The two metal strips are connected to a voltmeter by wires and 

a salt bridge connects the solutions.  The following standard reduction potentials apply: 

Ag+ (aq)    +   e−   ⎯→   Ag (s)  oE  = +0.80 V 

Cu2+ (aq)   +  2e−  ⎯→    Cu (s)  oE  = +0.34 V 

 

When the voltmeter is removed and the two electrodes are connected by a wire, which of the 

following does not take place? 

 

A. Electrons flow in the external circuit from the copper electrode to the silver electrode. 

B. The silver electrode increases in mass as the cell operates. 

C. There is a net general movement of silver ions through the salt bridge to the copper half‐

cell. 

D. Negative ions pass through the salt bridge from the silver half‐cell to the copper half‐cell. 

E. Some positive  copper  ions pass  through  the  salt bridge  from  the  copper half‐cell  to  the 

silver half‐cell. 

 

Page 198: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

197

For  the  following  3  questions,  consider  an  electrochemical  cell  with  a  cobalt  electrode 

immersed in 1.0 M Co2+ and a lead electrode immersed in 1.0 M Pb2+. 

Co2+   +   2e−   ⎯→   Co    oE  = −0.28 V 

Pb2+    +  2e−    ⎯→    Pb   oE  = −0.13 V 

 

2. Calculate  oE  for this cell 

 

A. −0.15 V 

B. 0.15 V 

C. −0.41 V 

D. 0.41 V 

E. none of these 

 

 

3. Which of the electrodes is the cathode? 

 

A. The cobalt electrode 

B. The lead electrode 

 

 

4. If [Co2+]0 is 0.0010 M and [Pb2+]0 is 0.10 M, calculate E. 

 

A. 0.15 V 

B. 0.091 V 

C. 0.27 V 

D. 0.21 V 

E. none of these  

 

Answer: D 

Solution: Write the balanced cell reaction: 

Page 199: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

198

5. The following oxidation‐reduction reaction occurs in basic solution: 

CrO42−  +   Fe(OH)2  ⎯→  Fe(OH)3  +  Cr(OH)4

− 

Complete and balance the above equation.   What  is  the sum of  the reaction coefficients  in 

the balanced equation? 

 

A. 10 

B. 11 

C. 13 

D. 15 

E. 18 

 

Page 200: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

199

6. Which of the following is the strongest oxidizing agent? 

MnO4−  +   4 H+  +  3 e−   ⎯→  MnO2  +  2 H2O  E° = 1.68 V 

I2  +  2 e−   ⎯→   2 I−         E° = 0.54 V 

Zn2+  + 2 e−  ⎯→  Zn         E° = −0.76 V 

A. MnO4− 

B. I2 

C. Zn2+ 

D. Zn 

E. MnO2 

 

The  following 5 questions refer  to  the galvanic cell shown below which uses  inert platinum 

electrodes and operates at a temperature of 25°C. 

 

 

 

 

 

 

 

    Br2(aq)  +  2 e−   ⎯→   2 Br− (aq)    E° = 1.09 V 

    I2 (aq)   +   2 e−   ⎯→   2 I− (aq)    E° = 0.54 V 

 

[Br−] = 0.20 M [Br2] = 0.20 M

[I−] = 10.0 M [I2] = 0.10 M

Salt Bridge

V

Pt Pt

Page 201: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

200

7. If the galvanic cell operates at standard state conditions, which species will be oxidized and 

which species will be reduced? 

 

A. Br− is oxidized and I− is reduced. 

B. I− is oxidized and Br2 is reduced. 

C. Br2 is oxidized and I2 is reduced. 

D. I2 is oxidized and H+ is reduced. 

E. H2O is oxidized and Br2 is reduced. 

Answer: B 

 

8. In which direction will electrons flow in the external circuit? 

 

A. Left to right 

B.    Right to left 

C.    No current flows since the cell is at equilibrium. 

D. No current flows since the concentration of Br2 is exactly the same as that of Br−. 

   

 

9. What is the value of E◦cell? 

 

A. 0.33V 

B. 0.44V 

C. 0.55V 

D. 0.66V 

E. 0.77V 

 

Page 202: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

201

10. What is the value of Ecell of the galvanic cell shown in the diagram? 

 

A. 0.33V 

B. 0.44V 

C. 0.55V 

D. 0.66V 

E. 0.77V  

 

 

11. Indicate  the  direction  of  ion migration  through  the  salt  bridge  if  it  contains  concentrated 

KNO3 solution. 

 

A. K+ migrates to right and NO3– migrates to left 

B. NO3– migrates to right and K+ migrates to left 

C. Both K+ and  NO3– migrate to riht 

D. Both K+ and  NO3– migrate to left 

E. No ion migrates through the salt bridge since the cell is at equilibrium. 

 

 

12. For the galvanic cell,  

Cu (s) | Cu2+ (aq, 1.0 M) | | Ag+ (aq, 1.0 M) | Ag (s) 

 

Which of the following does NOT take place? 

 

A. The silver electrode increases in mass as the cell operates. 

B. The cell, as described above, would be operating at standard state conditions. 

C. The cell potential, E would be less than E° if the concentration of Cu2+ was greater than 1.0 

M. 

D. Electrons flow in the external circuit from the copper electrode to the silver electrode. 

E. The concentration of Cu2+ decreases as the cell operates. 

Page 203: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

202

Short Answer: 

13. A galvanic cell contains a silver electrode and a copper electrode. 

Ag+ + e‐ ↔ Ag(s)    Eo = +0.799 

    Cu2+ + 2e‐  ↔ Cu(s)  Eo = 0.337    

   

A.  Write  the  half‐reactions  that  occur  at  the  anode  and  the  cathode  and  identify  the 

oxidizing and reducing agents. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B.   Calculate  the standard cell potential, ∆Eo, and  the equilibrium constant K  for  the cell at 

standard conditions. 

 

 

 

 

 

 

Page 204: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

203

C.   What concentration of Ag+ will produce a voltage of 0.500 V if [Cu2+] = 0.100 M? 

     

2Ag+ + Cu 2Ag + Cu2+

E = E° – [ ]2

2

Ag

][log0592.0+

+Cun

E = .500 V, E° = .462 V, and n = 2

–0.038 = [ ]2

2

Ag

][log2

0592.0+

+Cu

log 0.1 – 2log [Ag+] = 2x(–0.038)/0.0592 = –1.284 log[Ag+] = 0.142 [Ag+] = 1.39 M

Page 205: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

204

Study Tips/Exam Writing Strategies 

 

This course covers a wide variety of fundamental concepts and principles in  Chemistry.  Students 

always find it hard to put all these together especially when they are preparing for the final exam. 

This booklet is designed to help you spend your valuable time effectively and to ensure that it is a 

source of the information that you need for learning, skill development, and test preparation.  

The chapter summaries at the beginning of this Study Guide are a simple way to study the basic 

concepts covered  in this course  in a short amount of time. Read through the detailed contents 

and do all practice problems on your own, then look at the solutions provided. This way will make 

your  learning  successful.  You  learn  things  by  doing  them. Doing  practice  questions  contained 

within  this  booklet  is  a  good  way  to  help  you  acquire  both  conceptual  understanding  and 

problem‐solving skills for the exam. 

 

The amount of information you will be expected to learn can sometimes seem overwhelming. It is 

essential  to  recognize  those  concepts  and  skills  that  are  particularly  important.  The  following 

table outlines some important concepts and skills you must master for the exam. 

Page 206: Chem Course Booklet

©Prep101  Chem1012 Exam Booklet  

205

Chapter  Test items  Preparation focus 1  Limiting reactant stoichilmetry 

Solution stoichiometry  Empirical and molecular formulas 

Stoichiometry calculations based on the balanced equations 

2  Quantum numbers and atomic structures Atom and light, photoelectric effect Periodicity 

Understand the meaning of quantum numbers. The nature of the particle wave. 

3  Lewis structures  VSEPR model 

Connect the type of molecule with the shape. 

4  Speed, kinetic energy, and temperature Ideal gas equations Real gas concepts 

Understand the basic formulas and pay attention to the unit conversion. 

5  Comparison of intermolecular forces  Phase diagram Colligative properties 

Determine the relative strength of different attractive forces 

6  Rate law derived from a tabulated data Match  the  rate  law  with  different mechanisms  

The table summarizes different kinetics and worked examples help you understand the mechanisms 

7  First law Calorimetry, Hess’s law, standard enthalpy of formation 

Understand the signs for energy, heat, and work. 

8  Calculate  the equilibrium concentrations and the equilibrium constant 

Use ICE table to analyse the concentrations at equilibrium 

9  Calculate pH  in different  systems.  It may be strong  acid  or  base;  weak  acid  or  base; mixtures of acid or base. 

The three step analyzing procedures are designed for you to work on different systems. 

10  Buffer calculation Acid‐base titration curve analysis Solubility equilibrium calculation 

The worked examples guide you step by step to deal with different situations  

11  Spontaneity and ∆S,∆G,∆H relationships Conceptual questions 

Understand the concepts among different terms 

12  Describe the galvanic cells Nernst equation 

Understand the cell mechanism Relate to the reduction potentials 

 A central theme of this booklet is a systematic approach to problem solving. I hope the material is useful in helping you understand chemistry better and achieve higher on your exams.