Solutions, Solubility,and Reaction Types
Brown, LeMay Ch 4
AP Chemistry
1
4.1: Solutions & Expressing Concentration
Solution: homogeneous mixture of 2 or more substances
solute: component present in lesser quantity
solvent: component present in greater quantity
2
Molarity (M) =moles solute=molvolume of solution  L
Since volume of a solution changes with temperature, M of a solution changeswith temp. too. M is a good unit in measuring the conc. of a solution underconstant temp conditions like during an experiment in the lab. Ex. Titration
Molality (m) =moles solute=molkg of solvent kg
Since mass of a solution is temp. independent, m does not change withchange in temp, hence m is a good unit to use for solution conc. whentemp is changing. Ex. B.P. Elevation, F.P. Depression
Which is more concentrated- 1Maq NaCl or I m aq NaCl ?
4.1: Solutions & Expressing Concentration
*Normality (N): associated with acid & basestrength. Normality = molarity x n (where n = thenumber of protons exchanged in a reaction). = (moles solute)(# of acid/base equivalents) =volume of solutionmol/L
Ex. N of 1M H2SO4 will be 2N.
N was used earlier to express concentration ofacids/bases but is obsolete now.
Mole Fraction
XA= nA/ nA + nB …..
Practice Problem: What is the mole fraction ofeach component in a solution in which 3.57 g ofsodium chloride, NaCl, is dissolved in 25.0 g ofwater? Ans: X H2O 0.0421, X NaCl 0.958
Note: Sum total of mole fractions of all componentsis always 1
Mole fraction is a good unit but not so easy tocompute, hence has limited use.
5
Mass Percent
Mass percent is an easy way to express the concentration ofsolution and is most commonly used. Mass percent can bewritten in as mass/mass (m/m) or mass/volume (m/v) orvolume/volume (v/v).
Let us look at each of these carefully.
Mass % = mass of solute      X100
   mass of solution
Mass % = mass of solute      X100
   volume of solution
Mass %= volume of solute   X 100
   volume of solution
Practice Problem on Mass %
What does 2% (m/m) aq NaCl mean? 2% m/V?2% v/v
What mass % unit are you most likely to findvinegar’s conc. expressed in? Salt solution’s?
Calculate the mole fraction of HCl in a solutionof hydrochloric acid containing 36% HCl byweight. 0.22
What is the molality of a solution made bydissolving 5.0g of toluene (C7H8) in 225g ofbenzene  (C6H6)? 0.24m
-It is a method to determine the molarity of unknown acid or base
-In titration, an acid or base of unknown molarity is titratedagainst a standard solution (whose M is known) of acid or base.
-The end point in a titration is indicated by a color change by theindicator. Indicators are weak acids or bases and are added insmall quantity (1-3 drops) to indicate the end point.
-At equivalence point (which should be close to end point),
moles of H+ = moles of OH-
M1V1= M2 V2 (sometimes used to get moles , M= moles/L , somoles= M XV)
-What other ways can you get the moles- for a solid acid or base?For a gas?
-color change by indicator indicates end point
-end point and equivalence points should be close. Equivalencepoint is defined when moles of acid and base become equal in atitration and end point is where the indicator changes color.
8
Dilution:  (Minitial)(Vinitial) = (Mfinal)(Vfinal)
Ex:  How much water must be added to a solution thatcontains 100.0 g NaOH in 500. mL of solution to make thefinal concentration 2.00 M?
9
Minitial (100.0 g NaOH)/(40.00 g/mol NaOH) = 5.00 M0.500 L
(Mi)(Vi) = (Mf)(Vf) = (5.00 M)(0.500 L) = (2.00 M)(Vf)
V= 1.25 L, so 0.75 L water must be added.
1.What is the molality of lead nitrate in 0.726 MPb(NO3)2 is:  (The density of the solution is 1.202g/ml)   Ans. 0.755m
2.A solution is prepared by dissolving 15.0g of NH3 in250g of water. The density of the resulting solution is0.974 g/ml.  What is the mole fraction of NH3 in thesolution. Ans. 0.060
3.How many mL of a 3M NaOH solution are required tocompletely neutralize 20.0 mL of 1.5M H2SO4? (Startby writing a balanced equation!) Ans. 20.0 mL
4.How many g of NaOH is required to completely reactwith 100. mL of 1M HCl?
Practice Problems: M, m and Titrations
4.2: Properties of Solutes
Ionic compounds (salts): dissociate in water by solvation,in which polar H2O molecules surround and separate ionsfrom ionic crystal lattice
Molecular compounds: do not ionize becauseintramolecular bonds are stronger than bonds that formbetween H2O and molecule
Acids may ionize or not, depending on their strength.Bases dissociate based upon their strength. Refer toNaming Notes for further details.
11
Electrolyte: substance which, in aqueous solution, ionizesand thus conducts electricity. Ex: salt in water. (salt dissolving in water)
Non-electrolyte: substance which, in aqueous solution,does not dissociate and thus does not conduct electricity
Strong & weak electrolytes: conductivity depends ondegree of dissociation and equilibrium position:
HA (aq) ↔ H+ (aq) + A- (aq)Strong = nearly completely dissociatedWeak = partially dissociated
12
4.3: Acids & Bases
Acids: Hdonor
Bases: Hacceptor
Be (OH)2 and Mg(OH)2 are weak bases. Why?
13
Figure 1: Strong & weak: depends on degree ofdissociation (Ka value, Table 4.1, p. 117)
Strong Acids
Strong Bases
HBr, HCl, HI
HNO3, H2SO4
HClO4, HClO3
Group 1A’s: LiOH,NaOH, KOH, RbOH,CsOH
Heavy 2A’s: Ca(OH)2,Sr(OH)2, Ba(OH)2
4.4: Ionic Equations
1.Molecular equation: shows complete chemical equation withstates of matter, undissociated
BaCl(aq) + Na2SO4 (aq) → 2 NaCl (aq) + BaSO4 (s)
2.Complete ionic equation: shows complete chemical equation withstates of matter, dissociated if appropriate
Ba2+(aq) + 2 Cl-(aq) + 2 Na+(aq) + SO42-(aq) →
2 Cl-(aq) + 2 Na+(aq) + BaSO4 (s)
Spectator ions: present in reaction but do not “participate”;depend on solubility rulesCl- (aq) and Na+ (aq)
3. Net ionic equation: shows chemical equation without spectatorionsBa2+ (aq) + SO42- (aq) → BaSO(s)
14
Solubility Rules (memorize them!)
Figure 2: Compounds that are always soluble.
Compoundscontaining…
Important Exceptions
NO3-
CH3COO-
Cl-, Br-, I-
SO42-
None
None
Ag+, Hg22+, Pb2+
Hg22+, Pb2+,Sr2+, Ba2+, Ca2+
Also, compounds with Group 1A and NH4+ cations
Figure 3: Compounds that always insoluble.
Compoundscontaining…
Important Exceptions
Other anions (e.g., BrO3- or Cr2O72-) are generally insoluble except with thesoluble cations (Group 1A and NH4+)
CO32-, CrO42-, C2O42-
PO43-
S2-, O2-,  OH-
Alkali metals, NH4+
Alkali metals, NH4+,Sr2+, Ba2+, Ca2+
AP Exam: Predicting Reaction Products
Reactants:
1.Write all soluble ionic compounds, strong acids, andstrong bases in aqueous solution as their constituentions.  Never write NaCl or Ca(NO3)2, HCl or HNO3, NaOHor Ba(OH)2, etc.
Products:
1.Assume a reaction occurs.
2.Inspect all of the ions to see if any precipitates will form.
3.Cross out any spectator ions.
4.Balance the reaction (and states of matter are notneeded.)
5.For reaction prediction, please go to podcasts and WS onthe website.
17