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

Collection Contents


This folder contains 7 chapters from the FHSST (Free High School Science Texts) Chemistry textbook. 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. These Chemical Change chapters are to be used in grades 10 through 12. Below is a complete Table of Contents for this section. This resource is part of the FHSST Chemistry collection. TABLE OF CONTENTS 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
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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
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This folder contains 7 chapters from the FHSST (Free High School Science Texts) Chemistry textbook. 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. These chapters come from Chemistry sub-topics such as Matters and Material, Chemical Change, and Chemical Systems but cover only chapters relevant to Grade 10. Below is a complete Table of Contents for this section. This resource is part of the FHSST Chemistry collection. 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
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This folder contains 10 chapters from the FHSST (Free High School Science Texts) Chemistry textbook. 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. These chapters come from Chemistry sub-topics such as Matters and Material, Chemical Change, and Chemical Systems but cover only chapters relevant to Grade 11. Below is a complete Table of Contents for this section. This resource is part of the FHSST Chemistry collection. 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
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This folder contains 5 chapters from the FHSST (Free High School Science Texts) Chemistry textbook. 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. These chapters come from Chemistry sub-topics such as Matters and Material, Chemical Change, and Chemical Systems but cover only chapters relevant to Grade 12. Below is a complete Table of Contents for this section. This resource is part of the FHSST Chemistry collection. TABLE OF CONTENTS II MATTER AND MATERIALS 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 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 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
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