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TABLE OF CONTENTS
II MATTER AND MATERIALS
4 Atomic Combinations - Grade 11
4.1 Why do atoms bond? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Energy and bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 What happens when atoms bond? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 Covalent Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 The nature of the covalent bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Lewis notation and molecular structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.6 Electronegativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6.1 Non-polar and polar covalent bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6.2 Polar molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.7 Ionic Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7.1 The nature of the ionic bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.7.2 The crystal lattice structure of ionic compounds . . . . . . . . . . . . . . 76
4.7.3 Properties of Ionic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.8 Metallic bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.8.1 The nature of the metallic bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.8.2 The properties of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.9 Writing chemical formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.9.1 The formulae of covalent compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.9.2 The formulae of ionic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.10 The Shape of Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.10.1 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) theory . . . . . . . . . . 82
4.10.2 Determining the shape of a molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.11 Oxidation numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Intermolecular Forces - Grade 11
5.1 Types of Intermolecular Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Understanding intermolecular forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3 Intermolecular forces in liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Solutions and solubility - Grade 11
6.1 Types of solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Forces and solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 Solubility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7 Atomic Nuclei - Grade 11
7.1 Nuclear structure and stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2 The Discovery of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3 Radioactivity and Types of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3.1 Alpha (_) particles and alpha decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.3.2 Beta (_) particles and beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.3.3 Gamma () rays and gamma decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.4 Sources of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.4.1 Natural background radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.4.2 Man-made sources of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.5 The ’half-life’ of an element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.6 The Dangers of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.7 The Uses of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.8 Nuclear Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.8.1 The Atomic bomb - an abuse of nuclear fission . . . . . . . . . . . . . . 119
7.8.2 Nuclear power - harnessing energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.9 Nuclear Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.10 Nucleosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.10.1 Age of Nucleosynthesis (225 s - 103 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.10.2 Age of Ions (103 s - 1013 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.10.3 Age of Atoms (1013 s - 1015 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.10.4 Age of Stars and Galaxies (the universe today) . . . . . . . . . . . . . . 122
7.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8 Thermal Properties and Ideal Gases - Grade 11
8.1 A review of the kinetic theory of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.2 Boyle’s Law: Pressure and volume of an enclosed gas . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.3 Charles’s Law: Volume and Temperature of an enclosed gas . . . . . . . . . . . 132
8.4 The relationship between temperature and pressure . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.5 The general gas equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.6 The ideal gas equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.7 Molar volume of gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.8 Ideal gases and non-ideal gas behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
III CHEMICAL CHANGE
13 Quantitative Aspects of Chemical Change - Grade 11
13.1 The Mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
13.2 Molar Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
13.3 An equation to calculate moles and mass in chemical reactions . . . . . . . . . . 237
13.4 Molecules and compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
13.5 The Composition of Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
13.6 Molar Volumes of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
13.7 Molar concentrations in liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
13.8 Stoichiometric calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
13.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
14 Energy Changes In Chemical Reactions - Grade 11
14.1 What causes the energy changes in chemical reactions? . . . . . . . . . . . . . . 255
14.2 Exothermic and endothermic reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
14.3 The heat of reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
14.4 Examples of endothermic and exothermic reactions . . . . . . . . . . . . . . . . 259
14.5 Spontaneous and non-spontaneous reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
14.6 Activation energy and the activated complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
14.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
15 Types of Reactions - Grade 11
15.1 Acid-base reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
15.1.1 What are acids and bases? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
15.1.2 Defining acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
15.1.3 Conjugate acid-base pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
15.1.4 Acid-base reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
15.1.5 Acid-carbonate reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
15.2 Redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
15.2.1 Oxidation and reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.2.2 Redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
15.3 Addition, substitution and elimination reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
15.3.1 Addition reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
15.3.2 Elimination reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
15.3.3 Substitution reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
15.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
IV CHEMICAL SYSTEMS
21 The Lithosphere - Grade 11
21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
21.2 The chemistry of the earth’s crust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
21.3 A brief history of mineral use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
21.4 Energy resources and their uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
21.5 Mining and Mineral Processing: Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
21.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
21.5.2 Mining the Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
21.5.3 Processing the gold ore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
21.5.4 Characteristics and uses of gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
21.5.5 Environmental impacts of gold mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
21.6 Mining and mineral processing: Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
21.6.1 Iron mining and iron ore processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
21.6.2 Types of iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
21.6.3 Iron in South Africa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
21.7 Mining and mineral processing: Phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
21.7.1 Mining phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
21.7.2 Uses of phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
21.8 Energy resources and their uses: Coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
21.8.1 The formation of coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
21.8.2 How coal is removed from the ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
21.8.3 The uses of coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
21.8.4 Coal and the South African economy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
21.8.5 The environmental impacts of coal mining . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
21.9 Energy resources and their uses: Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
21.9.1 How oil is formed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
21.9.2 Extracting oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
21.9.3 Other oil products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
21.9.4 The environmental impacts of oil extraction and use . . . . . . . . . . . 415
21.10Alternative energy resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
21.11Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
22 The Atmosphere - Grade 11
22.1 The composition of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
22.2 The structure of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
22.2.1 The troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
22.2.2 The stratosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
22.2.3 The mesosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
22.2.4 The thermosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
22.3 Greenhouse gases and global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
22.3.1 The heating of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
22.3.2 The greenhouse gases and global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
22.3.3 The consequences of global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
22.3.4 Taking action to combat global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
22.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431