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TABLE OF CONTENTS
II MATTER AND MATERIALS
1 Classification of Matter - Grade 10
1.1 Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Heterogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Homogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Separating mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Pure Substances: Elements and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Giving names and formulae to substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Metals, Semi-metals and Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Semi-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Electrical conductors, semi-conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Thermal Conductors and Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Magnetic and Non-magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 What are the objects around us made of? - Grade 10
2.1 Introduction: The atom as the building block of matter . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Representing molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Intramolecular and intermolecular forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 The Kinetic Theory of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 The Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 The Atom - Grade 10
3.1 Models of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 The Plum Pudding Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Rutherford’s model of the atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3 The Bohr Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 How heavy is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Atomic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 The Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 The Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Atomic number and atomic mass number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.1 What is an isotope? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.2 Relative atomic mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Energy quantisation and electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6.1 The energy of electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6.2 Energy quantisation and line emission spectra . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6.3 Electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6.4 Core and valence electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6.5 The importance of understanding electron configuration . . . . . . . . . 51
3.7 Ionisation Energy and the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.1 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7.2 Ionisation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.8 The Arrangement of Atoms in the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8.1 Groups in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8.2 Periods in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
III CHEMICAL CHANGE
11 Physical and Chemical Change - Grade 10
11.1 Physical changes in matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
11.2 Chemical Changes in Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
11.2.1 Decomposition reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
11.2.2 Synthesis reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
11.3 Energy changes in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
11.4 Conservation of atoms and mass in reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
11.5 Law of constant composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.6 Volume relationships in gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
12 Representing Chemical Change - Grade 10
12.1 Chemical symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
12.2 Writing chemical formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.3 Balancing chemical equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.3.1 The law of conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.3.2 Steps to balance a chemical equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
12.4 State symbols and other information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
IV CHEMICAL SYSTEMS
18 The Water Cycle - Grade 10
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
18.2 The importance of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
18.3 The movement of water through the water cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
18.4 The microscopic structure of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
18.4.1 The polar nature of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
18.4.2 Hydrogen bonding in water molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
18.5 The unique properties of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
18.6 Water conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
18.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
19 Global Cycles: The Nitrogen Cycle – Grade 10
19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
19.2 Nitrogen fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
19.3 Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
19.4 Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
19.5 Human Influences on the Nitrogen Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
19.6 The industrial fixation of nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
19.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
20 The Hydrosphere - Grade 10
20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
20.2 Interactions of the hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
20.3 Exploring the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
20.4 The Importance of the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
20.5 Ions in aqueous solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
20.5.1 Dissociation in water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
20.5.2 Ions and water hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
20.5.3 The pH scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
20.5.4 Acid rain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
20.6 Electrolytes, ionisation and conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
20.6.1 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
20.6.2 Non-electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
20.6.3 Factors that affect the conductivity of water . . . . . . . . . . . . . . . . 387
20.7 Precipitation reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
20.8 Testing for common anions in solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
20.8.1 Test for a chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
20.8.2 Test for a sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
20.8.3 Test for a carbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
20.8.4 Test for bromides and iodides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
20.9 Threats to the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
20.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394