Grade 12 Physical Science Textbook (revised - Maths Excellence

396 Pages·2010·2.93 MB·English

FHSST Authors
The Free High School Science Texts:
Textbooks for High School Students
Studying the Sciences
Physical Science
Grade 12
Version 0.5
September 9, 2010
ii
Copyright 2007 “Free High School Science Texts”
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iii
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iv
Contents
I Chemistry 1
1 Organic Molecules - Grade 12 3
1.1 What is organic chemistry? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Sources of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Unique properties of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Representing organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Molecular formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.2 Structural formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.3 Condensed structural formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Isomerism in organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 Functional groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7 The Hydrocarbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7.1 The Alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7.2 Naming the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7.3 Properties of the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7.4 Reactions of the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.5 The alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.7.6 Naming the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7.7 The properties of the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7.8 Reactions of the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7.9 The Alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.10 Naming the alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.8 The Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.8.1 Naming the alcohols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.8.2 Physical and chemical properties of the alcohols . . . . . . . . . . . . . . 27
1.9 Carboxylic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.9.1 Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.9.2 Derivatives of carboxylic acids: The esters . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.10 The Amino Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.11 The Carbonyl Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
v
CONTENTS CONTENTS
2 Organic Macromolecules - Grade 12 37
2.1 Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 How do polymers form? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1 Addition polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Condensation polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 The chemical properties of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Types of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Plastics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.1 The uses of plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.2 Thermoplastics and thermosetting plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.3 Plastics and the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Biological Macromolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.1 Carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.3 Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Reaction Rates - Grade 12 61
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Factors affecting reaction rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3 Reaction rates and collision theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4 Measuring Rates of Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5 Mechanism of reaction and catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.6 Chemical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.1 Open and closed systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.2 Reversible reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.3 Chemical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.7 The equilibrium constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7.1 Calculating the equilibrium constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.7.2 The meaning of K values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
c
3.8 Le Chatelier’s principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.8.1 The effect of concentration on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.8.2 The effect of temperature on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.8.3 The effect of pressure on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.9 Industrial applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 Electrochemical Reactions - Grade 12 93
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2 The Galvanic Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.1 Half-cell reactions in the Zn-Cu cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.2 Components of the Zn-Cu cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
vi
CONTENTS CONTENTS
4.2.3 The Galvanic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.4 Uses and applications of the galvanic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3 The Electrolytic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.1 The electrolysis of copper sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 The electrolysis of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 A comparison of galvanic and electrolytic cells . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4 Standard Electrode Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.1 The different reactivities of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.2 Equilibrium reactions in half cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.3 Measuring electrode potential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.4 The standard hydrogen electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.5 Standard electrode potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.6 Combining half cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.7 Uses of standard electrode potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.5 Balancing redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.6 Applications of electrochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.6.1 Electroplating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.6.2 The production of chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.6.3 Extraction of aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5 The Chemical Industry - Grade 12 129
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Sasol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.1 Sasol today: Technology and production . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.2 Sasol and the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3 The Chloralkali Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.1 The Industrial Production of Chlorine and Sodium Hydroxide . . . . . . . 136
5.3.2 Soaps and Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4 The Fertiliser Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.1 The value of nutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.2 The Role of fertilisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.3 The Industrial Production of Fertilisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4.4 Fertilisers and the Environment: Eutrophication . . . . . . . . . . . . . . 148
5.5 Electrochemistry and batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5.1 How batteries work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5.2 Battery capacity and energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.3 Lead-acid batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.4 The zinc-carbon dry cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.5 Environmental considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
vii
CONTENTS CONTENTS
II Physics 161
6 Motion in Two Dimensions - Grade 12 163
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2 Vertical Projectile Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.1 Motion in a Gravitational Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.2 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.3 Graphs of Vertical Projectile Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3 Conservation of Momentum in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4 Types of Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.4.1 Elastic Collisions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.4.2 Inelastic Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.5 Frames of Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.5.2 What is a frame of reference? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5.3 Why are frames of reference important? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5.4 Relative Velocity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.7 End of chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7 Mechanical Properties of Matter - Grade 12 205
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2 Deformation of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2.1 Hooke’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2.2 Deviation from Hooke’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3 Elasticity, plasticity, fracture, creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.3.1 Elasticity and plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.3.2 Fracture, creep and fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.4 Failure and strength of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.4.1 The properties of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.4.2 Structure and failure of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.4.3 Controlling the properties of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.4.4 Steps of Roman Swordsmithing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.6 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8 Work, Energy and Power - Grade 12 217
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.2 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.3.1 External and Internal Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.3.2 Capacity to do Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.4 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
viii
CONTENTS CONTENTS
8.5 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.6 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9 Doppler Effect - Grade 12 237
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.2 The Doppler Effect with Sound and Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.2.1 Ultrasound and the Doppler Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.3 The Doppler Effect with Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.3.1 The Expanding Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.5 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10 Colour - Grade 12 245
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.2 Colour and Light. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.2.1 Dispersion of white light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.3 Addition and Subtraction of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.3.1 Additive Primary Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.3.2 Subtractive Primary Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.3.3 Complementary Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.3.4 Perception of Colour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.3.5 Colours on a Television Screen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.4 Pigments and Paints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.4.1 Colour of opaque objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.4.2 Colour of transparent objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.4.3 Pigment primary colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.5 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11 2D and 3D Wavefronts - Grade 12 257
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.2 Wavefronts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.3 The Huygens Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.4 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.5 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
11.5.1 Diffraction through a Slit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.6 Shock Waves and Sonic Booms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
11.6.1 Subsonic Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
11.6.2 Supersonic Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
11.6.3 Mach Cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
11.7 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
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CONTENTS CONTENTS
12 Wave Nature of Matter - Grade 12 275
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.2 de Broglie Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.3 The Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
12.3.1 Disadvantages of an Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.3.2 Uses of Electron Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
12.4 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13 Electrodynamics - Grade 12 283
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13.2 Electrical machines - generators and motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13.2.1 Electrical generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.2.2 Electric motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
13.2.3 Real-life applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
13.2.4 Exercise - generators and motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.3 Alternating Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.3.1 Exercise - alternating current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.4 Capacitance and inductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.4.1 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.4.2 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.4.3 Exercise - capacitance and inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
13.6 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
14 Electronics - Grade 12 295
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
14.2 Capacitive and Inductive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
14.3 Filters and Signal Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
14.3.1 Capacitors and Inductors as Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
14.3.2 LRC Circuits, Resonance and Signal Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . 301
14.4 Active Circuit Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
14.4.1 The Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
14.4.2 The Light-Emitting Diode (LED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
14.4.3 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
14.4.4 The Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
14.5 The Principles of Digital Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
14.5.1 Logic Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.6 Using and Storing Binary Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
14.6.1 Binary numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
14.6.2 Counting circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
14.6.3 Storing binary numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
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