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TABLE OF CONTENTS
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
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
23 The Chemical Industry - Grade 12
23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
23.2 Sasol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
23.2.1 Sasol today: Technology and production . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
23.2.2 Sasol and the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
23.3 The Chloralkali Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
23.3.1 The Industrial Production of Chlorine and Sodium Hydroxide . . . . . . . 442
23.3.2 Soaps and Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
23.4 The Fertiliser Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
23.4.1 The value of nutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
23.4.2 The Role of fertilisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
23.4.3 The Industrial Production of Fertilisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
23.4.4 Fertilisers and the Environment: Eutrophication . . . . . . . . . . . . . . 454
23.5 Electrochemistry and batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
23.5.1 How batteries work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
23.5.2 Battery capacity and energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
23.5.3 Lead-acid batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
23.5.4 The zinc-carbon dry cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
23.5.5 Environmental considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
23.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461