This collection is a full course of material in the form of a textbook. The textbook is provided by FHSST (Free High School Science Texts). FHSST is a project that aims to provide free science and mathematics textbooks for Grades 10 to 12 science learners. The project was initiated by young South African scientists, and now brings together scientists from around the world who are willing to contribute to the writing of the books.
This FHSST Chemistry textbook contains a total of 23 chapters to be used in grades 10 through 12. At the end of this description is a complete Table of Contents.
In this collection, you will find folders for each of the main sections (Matter and Materials, Chemical Change, and Chemical Systems). These folders include content across all three grade levels, G10, G11, G12.
You will also find folders with just G10, just G11, and just G12 chapters if you are teaching a particular grade.
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
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
9 Organic Molecules - Grade 12
9.1 What is organic chemistry? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2 Sources of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.3 Unique properties of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.4 Representing organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.4.1 Molecular formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.4.2 Structural formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.4.3 Condensed structural formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.5 Isomerism in organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.6 Functional groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.7 The Hydrocarbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.7.1 The Alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.7.2 Naming the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.7.3 Properties of the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.7.4 Reactions of the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.7.5 The alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
9.7.6 Naming the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
9.7.7 The properties of the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.7.8 Reactions of the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.7.9 The Alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.7.10 Naming the alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.8 The Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9.8.1 Naming the alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.8.2 Physical and chemical properties of the alcohols . . . . . . . . . . . . . . 175
9.9 Carboxylic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
9.9.1 Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.9.2 Derivatives of carboxylic acids: The esters . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.10 The Amino Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.11 The Carbonyl Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
10 Organic Macromolecules - Grade 12
10.1 Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.2 How do polymers form? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10.2.1 Addition polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
10.2.2 Condensation polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10.3 The chemical properties of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
10.4 Types of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.5 Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.5.1 The uses of plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
10.5.2 Thermoplastics and thermosetting plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.5.3 Plastics and the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.6 Biological Macromolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
10.6.1 Carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10.6.2 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
10.6.3 Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
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
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
16 Reaction Rates - Grade 12
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
16.2 Factors affecting reaction rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
16.3 Reaction rates and collision theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
16.4 Measuring Rates of Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
16.5 Mechanism of reaction and catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
16.6 Chemical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
16.6.1 Open and closed systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
16.6.2 Reversible reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
16.6.3 Chemical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
16.7 The equilibrium constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
16.7.1 Calculating the equilibrium constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
16.7.2 The meaning of kc values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
16.8 Le Chatelier’s principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
16.8.1 The effect of concentration on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
16.8.2 The effect of temperature on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
16.8.3 The effect of pressure on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
16.9 Industrial applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
16.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
17 Electrochemical Reactions - Grade 12
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
17.2 The Galvanic Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
17.2.1 Half-cell reactions in the Zn-Cu cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
17.2.2 Components of the Zn-Cu cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
17.2.3 The Galvanic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
17.2.4 Uses and applications of the galvanic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
17.3 The Electrolytic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
17.3.1 The electrolysis of copper sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
17.3.2 The electrolysis of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
17.3.3 A comparison of galvanic and electrolytic cells . . . . . . . . . . . . . . . 328
17.4 Standard Electrode Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
17.4.1 The different reactivities of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
17.4.2 Equilibrium reactions in half cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
17.4.3 Measuring electrode potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
17.4.4 The standard hydrogen electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
17.4.5 Standard electrode potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
17.4.6 Combining half cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
17.4.7 Uses of standard electrode potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
17.5 Balancing redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
17.6 Applications of electrochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
17.6.1 Electroplating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
17.6.2 The production of chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
17.6.3 Extraction of aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
17.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
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