DOC문서Chapter 4.doc

닫기

background image

CHAPTER 4

Chemical Foundations: Elements, 
Atoms, and Ions

1.

fire, earth, water, air

2.

Robert Boyle

3.

Boyle’s most important contribution was his insistence that science should be firmly grounded in 
experiment. Boyle tried to limit the influence of any preconceptions about science and only 
accepted as fact what could be demonstrated.

4.

oxygen, carbon, hydrogen

5.

From Table 4.1: oxygen, silicon, aluminum, iron, calcium

6.

a. 

Trace elements are those elements which are present in only tiny amounts in the body, 
but are critical for many bodily processes and functions. 

b.

Answer depends on your choice of elements

7.

B (boron); C (carbon); F (fluorine); H (hydrogen); I (iodine); K (potassium); N (nitrogen); O 
(oxygen); P (phosphorus); S (sulfur); U (uranium); V (vanadium); W (tungsten); Y (yttrium)

8.

Sometimes the symbol for an element is based on its common name in another language. This is 
true for many of the more common metals since their existence was known to the ancients: some 
examples are iron, sodium, potassium, silver, and tin (the symbols come from their name in 
Latin); tungsten (the symbol comes from its name in German).

9.

a.

4

b.

11

c.

12

d.

3

e.

8

f.

9

g.

13

h.

7

i.

6

j.

5

10.

a.

copper

b.

cobalt

c.

calcium

d.

carbon

41


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

e.

chromium

f.

cesium

g.

chlorine

h.

cadmium

11.

Co

cobalt

Rb

rubidium

Rn

radon

Ra

radium

U

uranium

12.

Si

silicon

Ni

nickel

Ag

silver

potassium

Ca

calcium

13.

a.

potassium

b.

germanium

c.

phosphorus

d.

carbon

e.

nitrogen

f.

sodium

g.

neon

h.

iodine

14.

B: barium, Ba; berkelium, Bk; beryllium, Be; bismuth, Bi; bohrium, Bh; boron, B; bromine, Br

N: neodymium, Nd; neon, Ne; neptunium, Np; nickel, Ni; niobium, Nb; nitrogen, N; 
nobelium, No

P: palladium, Pd; phosphorus, P; platinum, Pt; plutonium, Pu; polonium, Po; potassium, K; 
praseodymium, Pr; promethium, Pm; protactinium, Pa

S: samarium, Sm; scandium, Sc; seaborgium, Sg; selenium, Se; silicon, Si; silver, Ag; sodium, 
Na; strontium, Sr; sulfur, S

15.

the law of constant composition

16.

a.

Elements are made of tiny particles called atoms.

b.

All the atoms of a given element are identical

c.

The atoms of a given element are different from those of any other element.

d.

A given compound always has the same numbers and types of atoms.

e.

Atoms are neither created nor destroyed in chemical processes. A chemical 
reaction simply changes the way the atoms are grouped together.

42


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

17.

A compound is a distinct substance that is composed of two or more elements and always 
contains exactly the same relative masses of those elements.

18.

According to Dalton, all atoms of the same element are identical; in particular, every atom of a 
given element has the same mass as every other atom of that element.  If a given compound 
always contains the same relative numbers of atoms of each kind, and those atoms always have 
the same masses, then it follows that the compound made from those elements would always 
contain the same relative masses of its elements.

19.

a.

C6H6

d.

N2O4

b.

AlCl3

e.

NaHCO3

c.

Na2S

f.

KI

20.

a.

CO2

d.

H2SO4

b.

CO

e.

BaCl2

c.

CaCO3

f.

Al2S3

21.

a.

J. J. Thomson discovered the electron. Thomson postulated that, because negative 
particles had been detected in the atom, then there must also be positive particles to 
counterbalance the negative charge.

b.

William Thomson (Lord Kelvin) described the atom as a uniform pudding of 
positive charge, with electrons scattered throughout (like the raisins in a pudding)
to balance the electrical charge.

22.

False. Rutherford’s bombardment experiments with metal foil suggested that the alpha particles 
were being deflected by coming near a densepositively charged atomic nucleus.

23.

Neutrons are found in the nucleus and carry no electrical charge.

24.

protons

25.

The proton and the neutron have similar (but not identical) masses. Both of these particles have a 
mass approximately 2000 times greater than that of an electron. The combination of the protons 
and the neutrons make up the bulk of the mass of an atom, but the electrons make the greatest 
contribution to the chemical properties of the atom.

26.

neutron; electron

27.

10–13 cm = 10–15 m

28.

electrons

29.

Although all atoms of a given element contain the same number of protons in the nucleus, some 
atoms of a given element may have different numbers of neutrons. Isotopes are atoms of the same
element with different mass numbers.

30.

False. The mass number represents the total number of protons and neutrons in the nucleus.

31.

An isolated atom has no charge, therefore the number of negatively charged electrons must equal 
the number of positively charged protons.

32.

Neutrons are uncharged and contribute only to the mass. 

43


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

33.

Dalton’s original assumption was reasonable for his time, but as mass determination techniques 
improved, it was discovered that a given element may be composed of several isotopes.  Isotopes 
have the same number of protons and electrons, and so are chemical identical, but differ in the 
number of neutrons, which causes some physical differences.

34.

Atoms of the same element (i.e., atoms with the same number of protons in the nucleus) may 
have different numbers of neutrons, and so will have different masses.

35.

Z

Symbol

Name

8

O

oxygen

29

Cu

copper

78

Pt

platinum

15

P

phosphorus

17

Cl

chlorine

50

Sn

tin

30

Zn

zinc

36.

Z

Symbol

Name

32

Ge

germanium

30

Zn

zinc

24

Cr

chromium

74

W

tungsten

38

Sr

strontium

27

Co

cobalt

4

Be

beryllium

37.

a.

13

6 C

b.

12

6 C

c.

14

6 C

d.

11

5 B

e.

10

5 B

f.

10

5 B

38.

a.

54

26 Fe

b.

56

26 Fe

c.

57

26 Fe

d.

14

7 N

e.

15

7 N

f.

15

7 N

39.

a.

56 protons, 74 neutrons, 56 electrons 

b.

56 protons, 80 neutrons, 56 electrons 

c. 

22 protons, 24 neutrons, 22 electrons 

44


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

d. 

22 protons, 26 neutrons, 22 electrons

e. 

3 protons, 3 neutrons, 3 electrons 

f. 

3 protons, 4 neutrons, 3 electrons

40.

The relative amounts of  2H  and 18O  in a person’s hair, compared to other isotopes of these 
elements, vary significantly from region to region in the United States and is related to the 
isotopic abundances in the drinking water in a region.

41. 

Isotopes are atoms that contain the same number of protons but a different number of neutrons. 
The text gives an example in which ivory from African elephants was identified as coming from a
specific region based on the ratio of  13C  to 12C  in the ivory.

42.

Name

Symbol

Atomic Number

Mass Number

Number of neutrons

oxygen

17

8 O

8

17

9

oxygen

17

8 O

8

17

9

neon

20

10 Ne

10

20

10

iron

56

26 Fe

26

56

30

plutonium

244

94 Pu

94

244

150

mercury

202

80 Hg

80

202

122

cobalt

59

27 Co

27

59

32

nickel

56

28 Ni

28

56

28

fluorine

19

9 F

9

19

10

chromium

50

24 Cr

24

50

26

43.

False. The elements are listed in the periodic table in order of increasing atomic number (number 
of protons in the nucleus; nuclear charge), so that elements with similar properties form vertical 
groups.

44.

Elements with similar chemical properties are aligned vertically in families known as groups.

45.

Metals are excellent conductors of heat and electricity, and are malleable, ductile, and generally 
shiny (lustrous) when a fresh surface is exposed.

46.

True

47.

Mercury is a liquid at room temperature.

48.

The gaseous nonmetallic elements are hydrogen, nitrogen, oxygen, fluorine, chlorine, plus all the 
group 8 elements (noble gases). There are no gaseous metallic elements under room conditions.

49.

The only metal that ordinarily occurs as a liquid is mercury. The only nonmetallic element that 
occurs as a liquid at room temperature is bromine (elements such as oxygen and nitrogen are 
frequently obtainable as liquids, but these result from compression of the gases into cylinders at 
very low temperatures).

50.

metalloids or semimetals

51.

a.

Group 1; alkali metals

b.

Group 2; alkaline earth elements

45


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

c.

Group 8; noble gases

d.

Group 7; halogens

e.

Group 2; alkaline earth elements

f.

Group 8; noble gases

g.

Group 1; alkali metals

52.

a.

fluorine, chlorine, bromine, iodine, astatine

b.

lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, francium

c.

beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, radium

d.

helium, neon, argon, krypton, xenon, radon

53.

a.

Sr; Z = 38; Group 2; metal

b.

I; Z = 53; Group 7; nonmetal

c.

Si; Z = 14; Group 4; metalloid

d.

Cs; Z = 55; Group 1; metal

e.

S; Z = 16; Group 6; nonmetal

54.

Arsenic, atomic number 33, is located on the dividing line between the metallic elements and the 
non-metallic elements, and is therefore classified as a metalloid.  Arsenic is in Group 5 of the 
periodic table, whose other principal members are N, P, Sb, and Bi.

55.

compounds (and mixtures of compounds)

56.

Most of the elements are too reactive to be found in the uncombined form in nature and are found
only in compounds.

57.

argon

58.

These elements are found uncombined in nature and do not readily react with other elements. For 
many years it was thought that these elements formed no compounds at all, although this has now
been shown to be untrue.

59.

diatomic

60.

diatomic gases: H2, N2, O2, Cl2, and F2

monatomic gases: He, Ne, Kr, Xe, Rn, and Ar

61.

electricity

62.

chlorine

63.

liquids: bromine, mercury, gallium

gases: hydrogen, nitrogen, oxygen, fluorine, chlorine, and the noble gases (helium, neon, argon, 
krypton, xenon, radon)

64.

carbon

65.

zero

66.

electrons

67.

loses three

46


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

68.

2–

69.

cations, anions

70.

-ide

71.

The answer will depend on the student’s selection of elements; in general, the metallic elements 
are the ones that form positively charged ions.

72.

False. N3– contains 7 protons and 10 electrons. P3– contains 15 protons and 18 electrons.

73.

a.

54

d.

10

b.

18

e.

54

c.

23

f.

80

74.

number of protons = 26; number of electrons = 23; number of neutrons = 30

75.

a.

Ca: 20 protons, 20 electrons

Ca2+: 20 protons, 18 electrons

b.

P: 15 protons, 15 electrons

P3–: 15 protons, 18 electrons

c.

Br: 35 protons, 35 electrons

Br–: 35 protons, 36 electrons

d.

Fe: 26 protons, 26 electrons

Fe3+: 26 protons, 23 electrons

e.

Al: 13 protons, 13 electrons

Al3+: 13 protons, 10 electrons

f.

N: 7 protons, 7 electrons

N3–: 7 protons, 10 electrons

76.

a.

two electrons gained

b.

three electrons gained

c.

three electrons lost

d.

two electrons lost

e.

one electron lost

f.

two electrons lost.

77.

a.

I–

b.

Sr2+

c.

Cs+

d.

Ra2+

e.

F–

f.

Al3+

78.

a.

P3–

b.

Ra2+

c.

At–

d.

no ion

e.

Cs+

f.

Se2–

47


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

79.

A compound that has a high melting point (many hundreds of degrees) and which conducts an 
electrical current when melted or dissolved in water almost certainly consists of ions. Nonionic 
compounds have lower melting points than ionic compounds and do not conduct electricity when 
melted or in solution.

80.

Sodium chloride is an ionic compound, consisting of Na+ and Cl– ions. When NaCl is dissolved in
water, these ions are set free and can move independently to conduct the electric current.

81.

In the solid state, although ions are present, they are rigidly held in fixed positions in the crystal 
of the substance. In order for ionic substances to be able to pass an electrical current, the ions 
must be able to move, which is possible when the solid is converted to the liquid state.

82.

The total number of positive charges must equal the total number of negative charges so that 
there will be no net charge on the crystals of an ionic compound. A macroscopic sample of 
compound must ordinarily not have any net charge.

83.

a. 

KCl, K2S, K3N 

b. 

MgCl2, MgS, Mg3N2 

c. 

AlCl3, Al2S3, AlN 

d. 

CaCl2, CaS, Ca3N2

e. 

LiCl, Li2S, Li3N

84.

a. 

CsI, BaI2, AlI3 

b. 

Cs2O, BaO, Al2O3 

c. 

Cs3P, Ba3P2, AlP 

d. 

Cs2Se, BaSe, Al2Se3

e. 

CsH, BaH2, AlH3

85.

a.

At; Z = 85

e.

Pb; Z = 82

b.

Xe; Z = 54

f.

Se; Z = 34

c.

Ra; Z = 88

g.

Ar; Z = 18

d.

Sr; Z = 38

h.

Cs; Z = 55

86.

a.

7; halogens

b.

8; noble gases

c.

2; alkaline earth elements

d.

2; alkaline earth elements

e.

4

f.

6; (the members of group 6 are sometimes called the chalcogens)

g.

8; noble gases

h.

1; alkali metals

48


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

87.

Element

Symbol

Atomic Number

Group 1

hydrogen

H

1

lithium

Li

3

sodium

Na

11

potassium

K

19

Group 2

beryllium

Be

4

magnesium

Mg

12

calcium

Ca

20

strontium

Sr

38

Group 6

oxygen

O

8

sulfur

S

16

selenium

Se

34

tellurium

Te

52

Group 7

fluorine

F

9

chlorine

Cl

17

bromine

Br

35

iodine

I

53

88.

(d); Mass number is the sum of protons and neutrons. The number of protons identifies the 
element.

89.

The atomic number represents the number of protons in the nucleus of an atom. The mass number
represents the total number of protons and neutrons. No two different elements have the same 
atomic number. If the total number of protons and neutrons happens to be the same for two 
atoms, then the atoms will have the same mass number.

90.

Most of the mass of an atom is concentrated in the nucleus: the protons and neutrons that 
constitute the nucleus have similar masses, and these particles are nearly two thousand times 
heavier than electrons. The chemical properties of an atom depend on the number and location of 
the electrons it possesses. Electrons are found in the outer regions of the atom and are the 
particles most likely to be involved in interactions between atoms.

91.

Yes. For example, carbon and oxygen form carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2). 
The existence of more than one compound between the same elements does not in any way 
contradict Dalton’s theory. For example, the relative mass of carbon in different samples of CO is
always the same, and the relative mass of carbon in different samples of CO2 is also always the 
same. Dalton did not say, however, that two different compounds would have to have the same 
relative masses of the elements present. In fact, Dalton said that two different compounds of the 
same elements would have to have different relative masses of the elements.

92.

C6H12O6

93.

FeO and Fe2O3

94.

a.

29 protons; 34 neutrons; 29 electrons

b.

35 protons; 45 neutrons; 35 electrons

c.

12 protons; 12 neutrons; 12 electrons

49


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

95.

Mass Number

Symbol

Number of Neutrons

24

24
13 Al

11

25

25
13 Al

12

26

26
13 Al

13

28

28
13 Al

15

29

29
13 Al

16

30

30
13 Al

17

They are all considered aluminum atoms because the identity of the element is defined by the 
atomic number, which is the same for all of the isotopes listed.

96.

The chief use of gold in ancient times was as ornamentation, whether in statuary or in jewelry. 
Gold possesses an especially beautiful luster, and because it is relatively soft and malleable, it 
could be worked finely by artisans. Among the metals, gold is particularly inert to attack by most 
substances in the environment.

97.

Boyle defined a substance as an element if it could not be broken down into simpler substances 
by chemical means.

98.

; Since the ion has a 1– charge (one extra electron versus protons), the number of protons is

35 (–36 e– + 35 p+ = –1 charge). This identifies the element as bromine. Mass number = 35 p+ + 
46 n = 81

99.

a.

Ba

b.

K

c.

Cs

d.

Pb

e.

Pt

f.

Au

100.

(a), (b), (c), and (d); Cesium has 55 protons. Mass number = 133 = 55 p+ + #n. #n = 78; Column 
1A contains the alkali metals. –54 e– + 55 p+ = +1 charge

101.

a.

Ag

b.

Al

c.

Cd

d.

Sb

e.

Sn

f.

As

102.

The metal ion is Cu2+.  Since the metal ion has 27 electrons and contains a 2+ charge, this means 
that it has two less electrons as compared to protons. Therefore the number of protons is 29.  The 
number of protons is also the atomic number, identifying the metal ion as copper. Mass number =
29 p+ + 34 n = 63

50


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

103.

a.

tellurium

b.

palladium

c.

zinc

d.

silicon

e.

cesium

f.

bismuth

g.

fluorine

h.

titanium

104.

a.

CO2

b.

AlCl3

c.

HClO4

d.

SCl6

105.

a.

nitrogen, N

b.

neon, Ne

c.

sodium, Na

d.

nickel, Ni

e.

titanium, Ti

f.

argon, Ar

g.

krypton, Kr

h.

xenon, Xe

106.

a.

13

6 C

b.

13

6 C

c.

13

6 C

d.

44
19 K

e.

41

20 Ca

f.

35
19 K

107.

a.

22 protons, 19 neutrons, 22 electrons

b.

30 protons, 34 neutrons, 30 electrons

c.

32 protons, 44 neutrons, 32 electrons

d.

36 protons, 50 neutrons, 36 electrons

e.

33 protons, 42 neutrons, 33 electrons

f.

19 protons, 22 neutrons, 19 electrons

51


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

108.

Symbol

Protons

Neutrons

Mass Number

41

20 Ca

20

21

41

55
25 Mn

25

30

55

109

47 Ag

47

62

109

45

21Sc

21

24

45

109.

a.

C; Z = 6; nonmetal

b.

Se; Z = 34; nonmetal

c.

Rn; Z = 86; nonmetal; noble gases

d.

Be; Z = 4; metal; alkaline earth elements

110.

Cu-63: 29 protons, 29 electrons, 34 neutrons, 

Cu-65: 29 protons, 29 electrons, 36 neutrons, 

111.

Au: gold
Kr: krypton
He: helium
C: carbon
Li: lithium
Si: silicon

112.

tin: Sn
beryllium: Be
hydrogen: H
chlorine: Cl
radium: Ra
xenon: Xe
zinc: Zn
oxygen: O

113.

# Protons

# Neutrons

Symbol

34

45

Se

19

20

K

53

74

I

4

5

Be

24

32

Cr

114.

Atom

G or L

Ion

O

G

O2–

Mg

L

Mg2+

Rb

L

Rb+

Br

G

Br–

Cl

G

Cl–

52


background image

Chapter 4:  Elements, Atoms, and Ions

115.

Atoms

# Protons

# Neutrons

 

25

30

8

10

28

31

92

146

80

121

116.

Atom/Ion

Protons

Neutrons

Electrons

50

70

50

12

13

10

26

30

24

34

45

34

17

18

17

29

34

29

117.

(a); Rutherford is the founder of the nuclear atom.  A proton is heavier than an electron. 
The nucleus contains protons and neutrons.

53