Skip to content
Study guide

2017 Physical Sciences Grade 11 Document Tabled

Grade 11 Physical Sciences study guide from the 2017, 78 pages. Read online or get the free PDF download.

Publisher: Kzn Support Documents

Subject: Physical SciencesGrade 11201778 pages
Download

Loading document…

Loading document…

Document textSearch extracted text and jump to a page.
Downloaded from hlayiso.com Physical Sciences Grade 11 Document 2017   KWAZULU-­NATAL   DEPARTMENT  OF  EDUCATION               PHYSICAL  SCIENCES     GRADE  11   SUPPORT  MANUAL         Page  1  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017     Coulomb’s  Law             The  magnitude  of  the  electrostatic  force  exerted  by  the  Point  charges  on     each  other  is  directly  proportional  to  the  product  of  the  magnitudes  of  the   charges,  and  inversely  proportional  to  the  square  of  the  distance  between   them.           $% $&   Mathematically:        𝐹 = 𝑘   '&   Where:       •   F  is  the  electrostatic  force  in  newtons  (N).   •   Q1  and  Q2  are  charges  in  coulombs  (C).   •   r  is  the  distance  between  the  two  charges    in  metres  (m).   •   k  is  the  proportionality  constant  (Coulombs  Law  constant)  with  the   value  of  9x109  N∙m2.C-­2.       Worked  example  1:  [in  one  dimension  (1D)]       Two  point-­like  charges  carrying  charges  of  +3  nC  and  −5  nC  are  2m  apart.   Determine  the  magnitude  of  the  force  between  them  and  state  whether  it  is   attractive  or  repulsive.           Answer     Step  1:  Determine  what  is  required.                            We  are  required  to  find  the  force  between  two  point  charges  given   the  charges                            and  the  distance  between  them.     Step  2:  Determine  how  to  approach  the  problem                            We  can  use  Coulomb’s  Law  to  find  the  force.     F  =  kQ1Q2                        r2     Step  3:  Determine  what  is  given   We  are  given:     •  Q1  =  +3  nC  =      +3  ×  10−9C   •  Q2  =  -­5  nC    =      −5  ×  10−9C   •  r  =  2m     Page  2  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   We  know  that  k  =  9  ×  109  N  ·  m2  ·  C−2.     Draw  the  diagram.     Q1  =+3  X  10-­9                                                    Q2  =  -­5  X  10-­9         Step  4:  Check  units  and  convert  them.     •  Q1  =  +3  nC  =      +3  ×  10−9C   •  Q2  =  -­5  nC    =      −5  ×  10−9C           Step  5:  Determine  the  magnitude  of  the  force.                            Using  Coulomb’s  Law  we  have.     F      =     kQ1Q2                                r2                            =              (9,  0  ×  109)(3  ×  10−9)(5  ×  10−9)                                                                      (2)2    =     3,  38  ×  10−8  N     Thus  the  magnitude  of  the  force  is  3,  38  ×  10−8N.  However,  since  both  point   charges  have  opposite  signs,  the  force  will  be  attractive.           Worked  example  2  [in  one  dimension  (1D)]       The  charges  on  two  small  objects,  A  and  B,  are  -­8µC  and  -­2µC  respectively.    A     and  B  are  340  cm  apart.       1.1  Calculate  the  force  exerted  by  the  charges  on  each  other.     Solution     $ $    𝐹 = 𝑘 % & &       '          =  9x109  x  (-­8  x  10-­9)  x  (-­2  x  10-­9)                                                        (340  x  10-­2)2                        =  -­1,  25  x  10-­8N            =  1,  25  x  10-­8N  repulsion       Page  3  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   Worked  example  3  [in  one  dimension  (1D)]     Calculate  the  distance  between  two  point  charges  of  +  6  nC  and  –  3  nC   respectively  if  they  exert  a  force  of  2  x  10  –  7  N  on  each  other.                                    +6nC                      •                                                                                                                    •  -­3nC                                                                                        F=  2  x  10-­7  N     Solution   $ $        𝐹             = 𝑘 % & &                       ' 2  x  10-­7            =  (9  x  109)  (6  x  10-­9)3  x  10-­9                r2                         =  0,  81              r                      =  0,  9  m                                                                                                                   Worked  example  4  [in  two  dimensions  (2D)]  -­  Nov  2014(Question  9)       Two  point  charges  of  +2  μC  and  +3  μC  are  placed  a  distance  of  0,  2  m  apart.  P  is  a   point  on  the  line  joining  the  two  charges,  a  distance  of  x  m  from  the  3  μC  charge   such  that  the  net  electric  field  at  point  P  is  zero.         4.1   Define  the  term  electric  field  at  a  point  in  words.   (2)   4.2   Calculate  the  distance  x.   (7)     A  -­4  μC  charge  is  now  placed  a  distance  of  0,1  m  from  the  +3  μC  charge  as  shown     in  the  sketch  below.           4.3   Calculate  the  magnitude  of  the  electrostatic  force  experienced  by  the  +3  μC   (5)   charge  due  to  the  presence  of  the  other  two  charges.       [14]                                                                                             Page  4  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017     SOLUTION             Electric  field  at  a  point  is  defined  as  the  force  acting  per  unit  charge.  OR     It  is  the  force  experienced  by  a  unit  positive  charge  placed  at  that  point.                               Page  5  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017     ELECTRIC  FIELD             An  electric  field  is  a  region  in  space  in  which  an  electric  charge  experiences  a  force.     The  direction  of  the  electric  field  at  a  point  is  the  direction  that  a  positive  test  charge   would  move  if  placed  at  that  point.   Some  important  points  to  remember  about  electric  fields:   •   They  originate  and  end  perpendicularly  to  the  surface  of  the  charged  objects.   •    Field  lines  never  cross.   •   They  are  most  dense  (closer  to  each  other)  where  the  field  is  the  strongest  and  is   least  dense  (further  from  each  other)  where  the  field  is  the  weakest.   •   They  surround  the  charged  object  in  three  dimensions.  We  only  draw  a  few  lines   in  one  plane                                                                                          Electric  field  lines  around  a  positive  point  charge:                                                                                                                                                Electric  field  lines  around  a  negative  point  charge:                                                                         Page  6  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   Electric  field  lines  of  two  equal  but  opposite  charges:                         Electric  field  lines  of  two  equal  positive  charges:       Electric  field  lines  of  two  equal  negative  charges:                                                                                                           Electric  field  strength  at  a  point     The  electric  field  strength  at  a  point  is  the  electrostatic  force  experienced  per  unit   positive  charge  placed  at  that  point.       The  test  charge  placed  at  a  point  in  electric  field  will  experience  a  force;;  the  magnitude   of  the  force  experienced  will  depend  on  the  distance  of  the  test  charge(q)  away  from  the   charge(Q)  setting  the  field.     𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑  𝑠𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ =     𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 Page  7  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   8 In  symbols:  E  =     $     8 Solve  problems  using  the  equation  :  E  =     $   Unit  :   •   The  unit  for  electric  field  strength  (E)  is  newton  per  coulomb(  N∙C-­)  if  the   electrostatic  force  F  acts  on  the  charge  in  Newton  (N),  the  charge  Q  is  in  coulomb   (C).   Direction:     •   Electric  field  strength  is  a  vector  quantity     •   A  direction  of  electric  field  (by  conversion)  is  the  direction  of  the  electrostatic  force   that  a  positively  charged  particle  will  experience  at  that  point.     •   The  positively  charged  particle  will  thus  move  in  the  direction  of  the  field  and  a   negatively  charged  particle  will  move  against  the  field.       The  force  experienced  by  a  test  charge  when  placed  in  an  electric  field  is  given  by:                                                                                              𝐹 = 𝑞𝐸   Worked  example  1   If  the  magnitude  of  the  electric  field  strength  (intensity)  is  3  x  10  6  N  •  C–1  at  a  point,   calculate  the  magnitude  of  the  force  acting  on  a  charge  of  –  7  nC  placed  at  that  point.      Solution                                                                                      𝐹 = 𝑞𝐸                                                                                                =  7  ×  10-­9  ×  3  ×  106                                                                                                =  0.021  N     Electric  field  strength  at  a  point  due  to  a  number  of  point  charges                                                       ??????   From  Coloumb’s  Law:     Page  8  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   ;<=                  F =            (If  we  make  the  one  charge  Q  and  the  other  q.)     >& From  the  definition  of  electric  field  strength:  F  =  Eq     ?$ Therefore,  the  electric  field  can  be  calculated  as    𝐸 =   &      (where  Q  is  the  charge   ' setting  the  field).       Worked  Example  2   Calculate  the  electric  field  strength  30cm  from  a  5nC  charge.           Solution   ?$                                                𝐸 =   &   '                  =  (9  x  10-­9)  (5  x  10-­9                                                                              (0,  3)2                                                              =  =5  ×  10-­16  N∙C-­1       Worked  example  3     R  and  S  are  two  points  in  the  electric  field  of  a  small  negatively  charged  sphere  Q,  Two   charges  of  Q1  =  +3nC  and  Q2  =  −4nC  are  separated  by  a  distance  of  40cm.  What  is  the   electric  field  strength  at  a  point  that  is10cm  from  Q1  and  30cm  from  Q2?  The  point  lies   between  Q1  and  Q2.                   Page  9  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   Solution   ?$        𝐸 =   &   '                  =          (9  ×  109)  (3  ×  10−9)                                                    (0,  1)2                    =  2,  70  ×  103  N∙C−1     Then  for  Q2:   ?$                      𝐸 =   &   '                                =  (9  ×  109)  (4  ×  10−9)                                                            (0.3)2                                  =  4,  00  ×  102  N∙C−1     Add  the  two  electric  fields  because  both  are  in  the  same  direction.     The  field  is  away  from  Q1  and  towards  Q2.     Therefore,                                            Etotal  =  2,  70  ×  103  +  4,  00×  102  =  3,  10  ×  103N∙C−1                                     ACTIVITIES       ACTIVITY  1             Two  pith  balls  shown  in  the  diagram  below  have  a  mass  of  1.0  g  each  and  have     equal  charges.  One  pith  ball  is  suspended  by  an  insulating  thread.  The  other   charge  is  brought  to  within  3.0  cm.  of  the  suspended  ball  (r  =  0.03  m).  The   suspended  pith  ball  is  deflected  from  its  rest  position  until  the  thread  forms  an   angle  of  30°  with  the  vertical.  At  this  angle,  the  ball  is  in  equilibrium.         1.1   Draw  a  force  diagram  depicting  the  forces  acting  on  the  suspended  ball   (3)   Page  10  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   1.2   Calculate    Fg     1.3   Calculate  Fe     1.4   Calculate  the  charge  on  the  pith  balls.             ACTIVITY  2       Two  charges  P  and  Q  with  charges  +4  nC  and  -­2  nC  respectively,  are     placed  8  cm  apart.  A  point  charge  X  is  placed  2  cm  from  Q  as  shown  in  the   sketch  below.               2.1   Define  the  term  electric  field  at  a  point.                                                                                                                                                         (2)   2.2   Draw  the  electric  field  pattern  between  two  oppositely  charged  particles.                                               (3) 2.3   Calculate  the  net  electric  field  strength  at  point  X  due  to  P  and  Q   (7)   2.4   Calculate  the  magnitude  and  direction  of  the  electrostatic  force  on  an   (3)            electron  if  it  is  placed  at  point  X.                                                                                                                                                                                           ACTIVITY  3  (NOV  2016  EC)             Two  metal  spheres  charges,  Q1  and  Q2,  on  insulated  stands,  carry     charges  of  +6  x  10-­6  C  and  -­4  x  10-­6  C  respectively  are  separated  by  a   distance  of  3  m  from  their  centres.  A  point  charge  at  P  is  1,  2  m  from  Q2   in  the  same  plane  as  indicated  in  the  diagram  below.           3.1   Define  Coulomb’s  law  in  words   (2)   3.2   Draw  the  electric  field  pattern  between  the  two  charges.                                                                         (3)   3.3   Calculate:       3.3.1.  The  electrostatic  force  exerted  by  Q1  on  Q2   (5)     3.3.2  Calculate  the  electric  field  strength  at  point  P  as  a  result  of   (7)   Page  11  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017                    Q1  and  Q2                                                                                                                                                                                                                       3.3.3.  How  many  electrons  are  in  excess  in  Q2                                                                                                                       (2)         OHM’S  LAW             States  that:     The  potential  difference  across  a  conductor  is  directly  proportional  to  the   current  in  the  conductor  at  constant  temperature     This  Law  describes  the  relationship  between  the  current  flowing  through  a     conductor  and  the  potential  difference  (p.d.)  across  its  ends.       A   V       By  increasing  the  number  of  cells  in  the  circuit  we  are  able  to  increase  the     p.d.  across  the  ends  of  the  conductor.    This  increased  p.d.  is  measured   using  a  voltmeter  connected  across  the  ends  of  the  conductor.    This   changes  the  current  flowing  through  the  conductor,  which  is  measured   using  an  ammeter.     If  an  experiment  was  conducted  using  5  cells,  each  of  emf  1,5V,  the     following  is  a  possible  set  of  results  that  could  be  obtained.       p.d.    (V)   I    (A)     1,5   0,075   3,0   0,15   4,5   0,225   6,0   0,3   7,5   0,375           A  graph  of  p.d.  (x-­axis)  vs  current  (y-­axis)  gives  the  following     Page  12  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017       0,375   current(A)   0, 3   0,225 5   0,15   0,075   0   1, 3,0   4, 6, 7, 5   5   0   5   Potential  difference  (V)             From  the  above  graph,  the  potential  difference  across  the  ends  of  the     conductor  is  directly  prportional  to  the  current  flowing  through  the   conductor.   NB:  Potential  difference  is  an  independent  variable   The  folowing  graph  is  drawn:                 AB The  gradient  of  this  graph  is  a  constant  and  yields:  𝑅 =   AC Page  13  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   •   R  is  the  resistance  of  the  conductor.   •   Resistance  is  measured  in  Ohms  (Ω)     Resistance     Resistance  in  a  wire  is  the  opposition  of  a  wire  to  the  flow  of  electricity.    It  is  caused  by   collisions  between  the  electrons  and  the  atoms  in  the  wire.    The  hotter  the  wire,  the  more   chance  there  is  of  a  collision.    Therefore  hot  wires  have  more  resistance.             One  Ohm:    A  conductor  has  a  resistance  of  one  ohm  if  a  current  of  one  ampere  passes  through   it  when  a  p.d.  of  one  volt  is  maintained  across  its  ends.     Ohmic  and  non-­Ohmic  conductors:     Conductors  that  obey  Ohm’s  Law  are  said  to  be  Ohmic  conductors,  for  example  a  piece  of   nichrome  wire.       Conductors  that  do  not  obey  Ohm’s  Law  are  said  to  be  non-­Ohmic  conductors,  example  diodes.       A  graph  of  potential  difference  vs  current  flowing  for  a  diode  may  look  like  this: Potential difference Current         Factors  affecting  the  resistance  of  a  conductor:   •   Length  of  the  conductor.    The  longer  the  conductor  the  greater  the  resistance.   •   Cross  sectional  area.    The  greater  the  cross  sectional  area  of  a  conductor  the  lesser  the   resistance.   •   Temperature.  An  increase  in  temperature  of  a  conductor  increases  resistance.   •   Kind  of  material  used   Page  14  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   WORKED  EXAMPLE  1(NOV  2013  DBE)   The  two  graphs  below  represent  the  relationship  between  potential  difference  and  current  in  a   metal  wire  at  two  different  constant  temperatures,  T and  T .     1   2     1.1  Calculate  the  resistance  of  the  metal  wire  at  temperature  T .                         (3)   1 1.2  Which  graph  was  obtained  at  the  higher  temperature?                  Give  a  reason  for  the  answer.                                                                                                                      (3)   1.3  The  metal  wire  is  an  ohmic  conductor.  Justify  this  statement  by   1.4  Calculate  the  power  dissipated  in  the  metal  wire  when  the  current    in  it  is  25  mA  at  temperature  T .                                                                                                        (3)       2 H3)                      referring  to  the  graphs.                                                                                                                                         (1)             Page  15  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017     Series  and  Parallel  Circuits     Series  Circuits       In  a  series  circuit,  the  electrons  in  the  current  have  to  pass  through  all  the  components,  which   are  arranged  in  a  line.    Consider  a  typical  series  circuit  in  which  there  are  three  resistors  of   value  R1,  R2,  and  R3.    The  values  may  be  the  same,  or  different.       There  are  two  key  points  about  a  series  circuit:   •   The  current  throughout  the  circuit  is  the  same     •   The  voltages  add  up  to  the  battery  voltage.     Therefore:     VT  =  V1  +  V2  +  V3   Page  16  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za Physical Sciences Grade 11 Document 2017   From  Ohm’s  Law  we  know:     •   VT  =  IRT;;     •   V1  =  IR1;;     •   V2  =  IR2;;     •   V3  =  IR3       Þ  IRT  =  IR1  +  IR2  +  IR3    Therefore:      RT  =  R1  +  R2  +  R3   Parallel  Resistors       Parallel  circuits  have  their  components  in  parallel  branches  so  that  an  individual  electron  can   go  through  one  of  the  branches,  but  not  the  others.    The  current  splits  into  each  of  the  branches.   Look  at  this  circuit:           Page  17  of  78     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  18  of  78       In  this  case,  the  current  will  split  into  three  pathways.    For  a  parallel  circuit  we  know  two  things:     •   The  voltage  across  each  branch  is  the  same     •   The  currents  in  each  branch  add  up  to  the  total  current.     From  this  we  can  write:              Itot    =  I1  +  I2  +  I3   From  Ohm’s  Law,  I  =  V/R,  we  can  write:     I  T  =  V  ;;      I1  =  V;;        I2  =  V;;      I3  =  V                    RT                    R1                    R2              R3     Þ  V      =    V  +      V    +      V              RT          R1          R2            R3     Þ     This  is  true  for  any  number  of  parallel  resistors.   Relationship  between  Energy  Transferred  and  the  Current   From  the  experimental  investigation  it  was  found  that  the  energy  transferred  is  directly  proportional  to   the  current  squared.   energy  transferred   2 a   I   (Q)   Energy  Transferred  (Dt)   Energy  Transferred  (Dt)     R   constant   R   constant     t     constant   t     constant     (oC)   (oC)         2 2 2   Current  (I)  (A)   Current  (I )  (A )     Relationship  between  Energy  Transferred  and  the  Resistance     From  the  experimental  investigation  it  was  found  that  the  energy  transferred  is  directly  proportional  to  the   resistance.   Energy   a   R   transferred(Q)       Energy  Transferred  (Dt)   I   constant     t     constant       (oC)                                                                                                                                 Resistance  (R)  (Ω     Relationship  between  Energy  Transferred  and  the  Time   https://tvetpapers.co.za Page  18  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  19  of  78       From   the   experimental   investigation   it   was   found   that   the   energy   transferred   is   directly   proportional  to  the  time.   energy   a   t   transferred  (Q)     Energy  Transferred  (Dt)   I   constant     R    constant       (oC)       Time  (mins)   From  these  experiments  we  can  conclude  the  following:   W   a   I2   W   a   R   W   a   t     Combining  these  relationships  we  have   I2   W   a   or  W   =   k  I2  Rt   Rt   In  SI  units,  the  value  of  k  is  1   Hence   W   =   I2  Rt   W   Electric  work  done  in  J   I   Current  in  A   R   Resistance  in  Ω   t   Time  in  s     Using  previous  equations,  V  =  IR,  W  =  VQ  and  Q  =  It,  we  can  write  the  above  equation  in  many   forms  together  with  equations  for  power    (    P  =  W  )           Work                               Done   Power   I2   W   =           P   =   I2  R   Rt   W   =   VIt     P   =   VI   V2t     P   =   V2   W   =   R         R                               ACTIVITIES     MULTIPLE  CHOICE  QUESTIONS     1.1  In  the  circuit  shown,  the  resistance  of  the  ammeter,  the  battery  and  the  connecting  wires  are   negligible.  The  voltmeter  has  a  very  high  resistance.  The  ammeter  reads  1,5  A.  What  is  the   reading  on  the  voltmeter?     https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  20  of  78       A     4  V   B     6  V   C     8  V     D     12  V       1.2  What  will  happen  to  the  voltmeter  and  ammeter  readings  if  the  switch  S  is  closed?         voltmeter  reading          ammeter  reading   A   becomes  zero   remains  the  same     becomes  zero   increases   B     remains  the  same   decreases   C     decreases   increases             D     1.4  Which  one  of  the  circuits  shown  in  the  diagram  below  can  be  used  to  determine  the   resistance  of  R?     A   I       B   II       C   III         D   IV                                 1.5    A  battery  is  connected  to  a  small  lamp.  If  a  second  identical  lamp  is  connected  in  series  with   the  first,  what  will  happen  to  the  current  provided  by  the  battery?     A   it  will  decrease   B   it  will  remain  the  same   C   it  will  increase   D   it  will  become  zero   1.6  Two  light  bulbs  are  marked  230  V;;  75  W  and  230  V;;  150  W.  If  the  first  bulb  has  a  resistance   R,  then  the  resistance  of  the  second  is  …     A   ¼  R   B   ½  R   C   2  R   https://tvetpapers.co.za Page  20  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  21  of  78       D   4  R     1.7  Consider  the  electric  circuit  shown  in                the  diagram  at  the  right.   The  reading  on  the  voltmeter  V  is  ...     A     0  V   B     2  V   C     4  V   D       6  V       1.7     Gugu  connected  four  identical  light  bulbs  in  a  circuit  as  shown  to  the  right.  She  observes   that  the  brightness  of  bulb  A  varies  if  some  of  the  switches  are  closed.  In  which  case  will   bulb  A  burn  brightest?     A   S1  closed  with  S2  and  S3  open   B   S1  and  S2  closed  with  S3  open   C   S1,  S2  and  S3  closed     D   S1,  S2  and  S3  open         The  information  given  in  the  box  refers  to  questions  8  and  9:       The  battery  in  the  circuit   has  an  internal  resistance   r  and  an  emf  E.  The   resistance  of  the  ammeter   and  the  conductors  is   negligible  and  the   voltmeter  has  a  high   resistance     https://tvetpapers.co.za   Page  21  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  22  of  78       1.8      When  the  switch  S  is  closed,  the  …              voltmeter  reading              ammeter  reading         A   decreases   decreases   B     decreases   increases   C     increases   decreases   D     increases   increases   1.8  When  the  switch  S  is  closed  the  power  in  the  resistors  R1  and  R2  …            power  in            power  in  R1         R2         A     decreases   decreases   B     decreases   increases   C     increases   decreases   D   increases   increases         1.10       Two  resistors  of  resistance  2R  and  3R  are  connected  in  series  with  a  battery,  which  has         an  emf  of  E  and  an  internal  resistance  R.  What  is  the  potential  difference  across  the     resistor  of  resistance  2R?                                                                         A   E/3   B   2E/5     C   E/2   D     2E                                           https://tvetpapers.co.za Page  22  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  23  of  78       Section  B     ACTIVITY  1     The  ammeter  and  the  battery  have  negligible  internal  resistance  as  indicated  in  the   diagram  below.    The  potential  difference  across  the  battery  is  12  V.     12V   A   9Ω   2Ω   18Ω   V      Calculate:   1.1   the  equivalent  resistance  of  the  circuit             1.2   the  voltmeter  reading         1.3   the  heat  produced  in  1  minute  in  the  2  Ω  resistor.           ACTIVITY  2     A  circuit  is  connected  as  shown  in  the  diagram  below.    The  battery  has  an  emf  of  12  V  and  a   significant  internal  resistance.     The  reading  on  the  ammeter  is  3  A.   Calculate  the:   2.1   reading  on  voltmeter  V1                   2.2   reading  on  the  voltmeter  V2                 2.3   energy  transferred  in  the  3  Ω  resistor  in  2  minutes       https://tvetpapers.co.za Page  23  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  24  of  78       ACTIVITY  3     In  the  given  circuit,  the  battery  has  an  emf  of  18  V.    The  resistor  Z  is  of  unknown  value.    The   ammeter  reads  0,5  A   Emf  =  18V   A   0,5A   60  Ω   40  Ω   Z     3.1   What  is  meant  by  the  emf  of  a  battery?               3.2   Calculate  the  equivalent  resistance  of  the  parallel  branch.           3.3   Calculate  the  potential  difference  across  the  parallel  branch.           3.4   If  the  potential  difference  across  Z  is  3V,  calculate  the  value  of  Z.             3.5   Calculate  the  power  developed  in  the  60  Ω  resistor.                   https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  25  of  78       ACTIVITY  4     The  circuit  shown  below  consists  of  a  number  of  resistors  connected  to  a  24,0V  battery  of  negligible   internal  resistance.    The  resistor  marked  R  is  a  variable  resistor  with  values  of  resistance  from  zero  to   infinity.   7,0  Ω   24,0  V   4,0  Ω   12,0  Ω   R           The  variable  resistor  R  is  set  so  that  the  battery  supplies  power  to  the  resistors  at  a  rate  of     60,0W.       4.1   Define  the  resistance  of  a  conductor.               4.2   Calculate  the  potential  difference  across  the  7,0  Ω  resistor.   4.3            Find  the  value  of  R.     ACTIVITY  5  (EC-­  N0V  2015)     In  the  circuit  below,  the  resistance  of  the  battery,  ammeter  and  connecting  wires  can    be  ignored   .   The  power  of  the  8  Ω  resistor  is  0,  5  W.     5.1  Calculate  the  reading  on  the:     5.1.1  voltmeter  (V)                       (8)     https://tvetpapers.co.za Page  25  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  26  of  78       5.1.2  ammeter  (A)                       (4)     5.2  A  television  is  labeled:  240  V;;  750  W.     5.2.1  Calculate  the  resistance  of  the  television’s  resistor.           (4)     5.2.2  Calculate  the  costs  of  using  the  television  for  6  hours  if  electricity                    costs  R1,04  per  kWh.                   (3)   [19]     ELECTROMAGNETISM     •   Magnetic  field  associated  with  current-­carrying  conductors     1.   Magnetic  field  around  a  straight  conductor     Magnetic  field  lines  produced  by  the  current  form  circles  with,  with  the  wire  at  the  centre   (illustrated  below).     Right  Hand  rule  is  used  to  determine  the  direction  of  the  field.   The  current  going  into  the  paper  (into  the  page)  is  represented  by   and  the  current  leaving  the   page  (out  of  page)  is  represented  by .                                                                                                                                         https://tvetpapers.co.za
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  27  of  78       2.   Magnetic  field  around  a  circular  wire  (loop)   Magnetic  field  lines  closest  to  the  wire  are  circular.   Magnetic  field  lines  at  the  centre  of  the  loop  are  straight  and  parallel  to  each  other.                                                                     3.   Magnetic  around  a  solenoid  (cylindrical  coil  of  wire)       •   Magnetic  field  lines  form  closed  loops.   •   On  the  outside  of  the  solenoid,  the  direction  of  the  field  is  from  north  to  south   (  like  in  a  bar  magnet).   •   Inside  the  solenoid  the  direction  of  field  is  south  to  north.   •   The  polarity  of  the  current  carrying  solenoid  is  determined  by  Right  Hand  Rule.   •   Thumb  is  pointing  at  the  direction  of  the  field.   •   Curved  fingers  are  pointing  in  the  direction  of  conventional  current.                                                                                       FARADAYS  LAW     The  magnitude  of  the  induced  emf  across  the  ends  of  a  conductor  is  directly   proportional  to  the  rate  of  change  in  the  magnetic  flux  linkage  with  the   conductor.     𝜟𝜱                                                            ε  =  -­N   𝜟𝒕   •   ε  is  the  induced  emf   •   ΔΦ  is  the  change  magnetic  flux.   •   N  is  the  number  of  loops   https://tvetpapers.co.za Page  27  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  28  of  78       •   Emf  has  a  negative  sign  because  it  opposes  the  change  in  flux     Current  induced  by  changing  magnetic  field     •   When  there  is  a  change  in  magnetic  field  around  the  conductor,  current  is  induced.   •   Current  is  induced  when  there  is  relative  motion  between  the  coil  and  the  magnet   •   No  current  is  induced  if  magnet  is  held  stationary  in  the  coil.   •   The  direction  of  induced  current  is  determined  by  Right  Hand  Rule.   •   If  thumb  points  in  the  direction  of  field,  curved  fingers  point  in  the  direction  of  current  and   vice  versa.     •   The  induced  current  flows  in  a  direction  so  as  to  set  up  the  magnetic  field  to  oppose  the   change  in  magnetic  flux.           Figure  1:     Magnet  moving  into  the  solenoid                                                                         •   The  distance  between  the  magnetic  and  the  solenoid  decreases  and  so  magnetic  flux   inside  the  solenoid  increases.   •   The  magnetic  field  of  the  magnet  is  towards  left.   •   To  oppose  this  increase  towards  left,  the  field  produced  by  induced  current  is  towards   right.       Figure  2   Magnet  pulled  out  from  the  solenoid                                                                   •   The  distance  between  the  magnet  and  the  solenoid  increases  and  so  the  magnetic  flux   inside  the  solenoid  decreases.   •   To  oppose  this  decrease,  the  field  produced  by  induced  current  flowing  in  the  direction   indicated  is  towards  left.     https://tvetpapers.co.za Page  28  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  29  of  78       Factors  influencing  the  magnitude  of  the  induced  current     •   Strength  of  magnetic  field-­  the  stronger  the  magnet,  the  greater  the  induced  current.   •   The  number  of  turns  in  the  coil-­  the  greater  the  number  of  turns  the  greater  the  induced   current.   •   The  speed  at  which  magnet  and  coil  are  moved  relative  to  each  other.  The  higher  the   speed,  the  greater  the  induced  current.     Magnetic  flux     Magnetic  flux  (Φ  )is  the  product  of  the  component  of  magnetic  field  (B  cos  θ)   perpendicular  to  a  surface  and  the  area(A)  of  the  surface  the  field  passes  through   .   Φ  =BA  cos  θ                                                                                                                                           Θ  is  the  angle  between  the  magnetic  field  and  the  normal  to  the  cross  sectional  area.                                                                                                   Unit  of  magnetic  flux  is  weber  (Wb).   1  Wb  =  1  T         Worked  example  1     A  200-­turn  circular  coil  is  placed  in  a  magnetic  field  such  that  the  field  is  perpendicular  to  the  surface   of  each  loop  of  the  coil  at  all  times.  As  the  coil  rotates,  the  magnetic  field  changes  at  a  constant  rate   -­2   from  0,  22  T  to  0,  42  T  in  3,  2  x  10 s.  The  emf  induced  in  the  coil  during  this  time  is  -­15,  2  V.       1.1  State  Faraday's  law  of  electromagnetic  induction  in  words.            (2)   https://tvetpapers.co.za Page  29  of  78
Downloaded from hlayiso.com https://ultradeep.co.za GRADE  11                         Page  30  of  78         1.2      Calculate  the:       1.2.1  Change  in  magnetic  flux  through  the  circular  loop.               (4)     1.2.2  Radius  of  the  coil.                       (4)     1.3      The  coil  now  rotates  in  the  opposite  direction  and  the  magnetic  field  changes                  from  0,42  T  to  0,22  T  in  the  same  time  interval.  Write  down  the  induced  emf.       (1)       Solution     1.1  The  magnitude  of  the  induced  emf  across  the  ends  of  a  conductor  is  directly  proportional  to   the  rate  of  change  in  the  magnetic  flux  linkage  with  the  conductor.   AG 1.2  .1                                                            ε  =  -­N   AH AG                                        -­15,  2  =  -­  (200)   I,K  L  MNOK            𝛥𝛷=  2.43  X  10-­3  Wb  or  2,  43  x  10-­3  v.s-­1       1.2.2                                                𝛥𝛷 = 𝐵𝑓 − 𝐵𝑖 𝐴  𝑐𝑜𝑠  𝜃                                            2.432  X  10-­2  =  (0,  42  –  0,  22)  A  cos  0°              A  =  0,012  m2                Area  of  circle  =  pr2                                                            0.012  =  pr2                r  =  6,  22  x  10-­2  m   1.3          15,  2  V       ACTIVTIES     ACTIVITY  1     A  single  circular  loop  of  wire,  12  cm  in  diameter,  is  placed  in  a  0,  6  T  magnetic   field.  It  is  removed  from  the  magnetic  field  in  0,  04  s.     1.1     Calculate:   1.1.1     The  flux  which  is  linked  to  this  coil.                 (4)     1.1.2     The  average  induced  emf.                     (4)     1.2     How  does  the  emf  change  if  …     (Write  only  INCREASES,  DECREASES  or  REMAINS  THE  SAME)     1.2.1     the  magnetic  field  strength  changes  to  0,5  T?               (1)     1.2.2     the  coil  is  removed  from  the  field  in  0,02  s?               (1)     https://tvetpapers.co.za Page  30  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  31  of  78         ACTIVITY  2     2.1  Consider  a  flat  square  coil  with  5  turns.  The  coil  is  0,50  m  on  each  side              and  has  a  magnetic  field  of  0,5  T  passing  through  it.  The  plane  of  the  coil  is                perpendicular  to  the  magnetic  field:  the  field  points  out  of  the  page.  Use                Faraday's  Law  to  calculate  the  induced  emf,  if  the  magnetic  field  is  increases              uniformly  from  0,5  T  to  1  T  in  10  s.  Determine  the  direction  of  the  induced                  current.                                                                                       2.2     Consider  a  solenoid  of  9  turns  with  unknown  radius,  r  r  .  The  solenoid       is  subjected  to  a  magnetic  field  of  0,12  T.  The  axis  of  the  solenoid  is       parallel  to  the  magnetic  field.  When  the  field  is  uniformly  switched    to  12  T  over  a  period  of  2  minutes  an  emf  with  a  magnitude  of  −  0,  3  V     is  induced.  Determine  the  radius  of  the  solenoid.                                                 2.3     Consider  a  circular  coil  of  4  turns  with  radius  3  ×  10−2  m.  The  solenoid     is  subjected  to  a  varying  magnetic  field  that  changes  uniformly  from     0,  4  T  to  3,  4  T  in  an  interval  of  27  s.  The  axis  of  the  solenoid  makes     an  angle  of  35°  to  the  magnetic  field.  Find  the  induced  emf.                               Page  31  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  32  of  78       ACTVITY  3     3.1  State  Faraday's  Law  of  electromagnetic  induction  in  words  and  write    down  a    mathematical  relationship.     3.2  Describe  what  happens  when  a  bar  magnet  is  pushed  into  or  pulled  out     of  a  solenoid  connected  to  an  ammeter.  Draw  pictures  to  support  your  description.     3.3  Use  the  Right  Hand  Rule  to  determine  the  direction  of  the  induced  current    in  the  solenoid  below                                                                           ACTIVITY  4  (Nov  2014  DBE)     In  the  diagram  below  a  bar  magnet  is  being  pushed  into  a  coil.  The  current  induced  in  the  coil  is   in  the  direction  indicated.     4.1.   Write  down  the  polarity  (north  pole  or  south  pole)  of  the  end  of  the  coil  facing     the  bar  magnet,  as  the  bar  magnet  approaches  the  coil.         (2)     4.2   Which  end  of  the  bar  magnet  is  approaching  the  coil?  Write  down  only                     NORTH  POLE  or  SOUTH  POLE                 (1)     4.3.   Write  down  what  will  be  observed  on  the  galvanometer  if  the  bar  magnet  is                     held  stationary  inside  the  coil.  Give  a  reason  for  the  answer.         (2)                       Faraday's  law  of  electromagnetic  induction  plays  a  very  important  role  in  the                       generation  of  electricity.     4.4         Write  down  Faraday's  law  of  electromagnetic  induction  in  words.         (2)     A  coil  of  100  turns,  each  of  area  4,8  x  10-­4  m2,  is  made  from  insulated  copper  wire.  The  coil   is  placed  in  a  uniform  magnetic  field  of  4  x  10-­4  T  in  such  a  way  that  the  angle  between  the   magnetic  field  and  the  normal  to  the  plane  of  the  coil  is  30°.  The  coil  is  then  rotated  so  that   the  angle  changes  to  70°  in  a  time  interval  of  0,2  s.     Calculate  the:     4.5  Magnitude  of  the  emf  induced  in  the  coil                 (5)     4.6  Current  induced  in  the  coil  if  it  has  an  effective  resistance  of  2  Ω         (3)                           [15]   Page  32  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  33  of  78       MATTER  AND  MATERIALS   IDEAL  GASES  AND  THERMAL  PROPERTIES     MATTER:  Is  anything  that  occupies  space  and  has  mass   -   Matter  is  made  up  of  very  small  particles  in  constant  motion   -     KINETIC  THEORY  determines  the  movement  of  particles  in  the  three  phases  of  matter:   1.   Solids-­  particles  vibrate  in  fixed  position   2.   Liquids-­  particles  move  around  freely  in  a  confined  space   3.   Gases-­  particles  move  rapidly  and  are  far  apart   Gas  particles  have  enough  kinetic  energy  enabling  them  to  move  randomly       —   A  true  gas  such  as  hydrogen,  oxygen,  nitrogen,  carbon  dioxide,  sulphur  dioxide  etc,  will  only   behave  ideally  at:   1.   High  temperature   2.   Low  pressure     Reason:  at  high  temperature   •   kinetic  energy  is  very  high     •   molecules  move  extremely  fast  resulting  in  intermolecular  forces  decreasing  as  the  temperature   increases   •   Particles  moving  faster  result  in  more  collisions  with  each  other  and  with  the  walls  of  the  container,   causing  volume  to  increases       —   Real  gases  deviate  from  ideal  gas  behavior  under  these  conditions:   1.   Low  temperature   2.   High  pressure     Reason:  at  low  temperature   •   Kinetic  energy  of  particles  is  lower   •   Intermolecular  forces  exist  between  particles   •   Particles  are  attracted  to  each  other  and  gas  liquifies       At  high  pressure   •   gas  molecules  are  close  to  each  other   •   intermolecular  forces  increase  as  there  are  now  repulsion  forces  between  molecules.       There  scientists  who  studied  gas  laws  include  the  following:   1.   Boyle:  studied  pressure  and  volume  relationship   2.   Charles:    studied  temperature  and  volume  relationship   3.   Gay-­  Lussac:  studied  pressure  and  temperature  relationship     Avogadro:  studied  volume  and  amount  relationship           Page  33  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  34  of  78         Boyle’s  law:     States  that  the  volume  of  an  enclosed  mass  of  a  gas  is  inversely  proportional  to  the  pressure  provided  that   the  temperature  remains  constant       Worked  example:   1.   An  amount  of  gas  has  a  volume  23dm3  at  a  pressure  of  150kPa.  The  pressure  on  the  gas  is   increased  to  200kPa  while  the  temperature  remains  constant.  Calculate  the  new  volume.     p1V1=p2V2   150x23  =  200  V2     V2=  17,25  dm3       QUESTIONS     PART  A   1.        A  fixed  amount  of  gas  is  in  a  cylinder  with  an                  airtight  piston.  The  piston  is  pushed  down,  to  halve                  the  volume  of  the  enclosed  gas.  (Temperature                                                                                    remains  constant)         Gas         a)    Would  the  pressure  of  the  enclosed  gas  decrease,  increase  or  would  it  remain  the  same?  Use   the  Kinetic  Theory  of  Matter  to  explain  your  answer.   b)    If  the  original  pressure  and  volume  of  the  gas  was  100  kPa  and  100  dm3  respectively,  calculate   the  pressure  of  the  gas.     c)   Name  and  state  the  law  applied  to  answer  question  1  b).   d)   Draw  a  graph  of  pressure  versus  volume  to  illustrate  this  relationship  as  stated  in  this  Law   (question  c).     2.         A  fixed  number  of  moles  of  helium  gas  are  in  a  closed  container  at  STP.  The  container  has  a   capacity  of  50  cm3.  If  the  pressure  remains  constant,  what  will  be  the  volume  of  the  helium  gas  if   the  temperature  is  doubled?   3.                  A  diver  dives  down  into  the  sea,  where  the  temperature  is    5oC  and      the  pressure  is  150  kPa.                                                                        She  releases  a  bubble  of  air  from    her  lungs.  The  volume  of  the  bubble  is10  cm3.                   Page  34  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  35  of  78           Calculate  the  volume  of  the  bubble  when  it  reaches  the  surface  of  the  sea,  where  the  temperature  is  30oC.           4.      A  fluorescent  advertising  sign  outside  a  shop  has  a  capacity  of  20  dm3.                     During  the  night,  when  the  temperature  is  12oC,  the  pressure  in  the  sign  is  120  kPa.  The  sign  can   withstand  a  pressure  of  140  kPa  before  breaking.  If  the  temperature  rises  to  32oC  on  a  hot  day,  will  the   sign  be  able  to  withstand  the  pressure?     5.      Name  two  differences  between  ideal  gases  and  real  gases.     6.      Which  real  gas  behaves  most  like  an  ideal  gas?  Explain  your  answer.       7.      Copy  the  following  pV  versus  p  graph     pV              for  an  ideal  gas  and  complete  it  by  using              a  dotted  line  to  show  the  deviation  of  a                real  gas.  Briefly  explain  the  deviation.             p     8   Calculate  the  number  of  moles  of  an  ideal  gas  present  in  a  100dm3  closed  container  at  a  pressure   of  150kPa  and  a  temperature  of  100oC.     9   A  mass  of  64  g  of  oxygen  gas  is  in  a  closed  gas  cylinder,  at  a  pressure  of  120kPa  and  a   temperature  of  25oC.  Calculate  the  volume  of  the  cylinder.     10.                A  certain  gas  with  a  volume  of  5,6  dm3  is  at  STP.       a)      Calculate  the  number  of  moles  of  this  gas  present  in  the  container.     b)      To  what  temperature  must  the  gas  be  heated  to  expand  to  a  volume  of      22,4  dm3?           (Assume  the  pressure  remains  constant)     11     A  steel  cylinder  contains  1000cm3  gas  at  a  pressure  of  250kPa.  What  volume  of  gas  will  escape  if   the  cylinder  is  opened  to  let  out  the  gas?  The  local  atmospheric  pressure  is  80kPa.  Assume  the   temperature  remains  constant.     12.   An  enclosed  gas  occupies  volume  of  360dm3  at  a  pressure  of  100kPa  calculate  the  volume  of  the   gas  at  120kPa  and  constant  temperature.   Page  35  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  36  of  78       13   Calculate  what  pressure  is  needed  to  compress  6cm3  of  hydrogen  gas  at  100kPa  to  a  volume  of   4cm3  without  changing  the  temperature  of  the  gas.   14   A  sealed  gas  syringe  lying  on  a  work  bench  contains  75cm3  air  .the  plunger  is  airtight,  but  moves     freely.  The  atmospheric  pressure  is  100kPa.   14.1     What  is  the  pressure  of  gas  in  the  syringe?   14.2   what  additional  pressure  has  to  be  applied  on  the  plunger  so  that  the  air  is  compressed  to  a   volume  of  50cm3  while  the  temperature  remains  constant.     15   A  hot  air  balloon  with  a  volume  of  20m3    has  to  be  filled  with  hydrogen  at  pressure  of  100kPa.  The   hydrogen  is  kept  in  cylinders  that  have  a  volume  of  0,02m3    at  a  pressure  of  2000kPa.  How  many   cylinders  are  needed  to  fill  the  balloon  if  the  temperature  is  kept  constant?       PART  B     QUESTION  1     There  are  four  possible  options  for  each  answer  in  the  following  questions.  Each  question   has  only  ONE  correct  answer.  Choose  the  correct  answer  and  write  only  A,  B,  C  or  D  next   to  the  question  number.       1.1   The  temperature  of  a  gas  is  defined  as  …     A   the  heat  of  the  gas   B   the  product  of  the  pressure  and  volume  of  the  gas   C   a  measure  of  the  average  speed  of  the  molecules  of  the  gas   D   a  measure  of  the  average  kinetic  energy  of  the  molecules  of  the  gas            (2)     1.2   Which  one  of  the  following  is  NOT  a  property  of  an  ideal  gas?     A   The  volume  occupied  by  the  ideal  gas  is  equal  to  the  total  volume  of  all  the   individual  molecules.   B   The  collisions  between  the  molecules  are  perfectly  elastic.   C   There  are  no  forces  of  attraction  between  the  molecules.   D   The  product  of  the  pressure  and  the  volume  of  the  ideal  gas  is  constant  at   constant  temperature.                                                                                                                                                              (2)         Page  36  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  37  of  78       1.3   Which  one  of  the  following  graphs  represents  the  relationship  between  the  volume   (V)  and  the  absolute  temperature  (T)  of  a  real  gas?             A   B   C   D   (2)     1.4   Under  which  conditions  do  real  gases  behave  like  ideal  gases?   A   low  temperature  and  low  pressure   B   high  temperature  and  high  pressure   C   low  temperature  and  high  pressure   D   high  temperature  and  low  pressure                                                                                                                      (2)     1.5   You  store  1  mol  of  an  ideal  gas  in  a  rigid  tank  at  a  temperature  T  in  Kelvin.  If  you   halve  the  average  speed  of  the  gas  particles  in  the  tank,  what  is  the  new   temperature  of  the  ideal  gas?     A   4T   B   T   C   0,5T   D   0,25T                                                                                                                                                                                                                                (2)     1.6   Tumi  performed  an  experiment  with  separate  samples  of  oxygen  gas  and  neon   1 gas.  Her  results  produced  the  following  graphs  of  pressure  versus    for   volume each  gas.         If  Tumi  used  the  same  number  of  moles  of  gas  in  each  experiment,  which  of  the   following  statements  about  the  temperature  of  the  gases  is  true?     Page  37  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  38  of  78       A   The  temperatures  of  both  gases  were  the  same.   B   The  temperature  of  neon  gas  was  lower  than  the  temperature  of  oxygen  gas.   C   The  temperature  of  neon  gas  was  higher  than  the  temperature  of  oxygen  gas.   D   Tumi  cannot  make  a  deduction  about  the  temperature  from  the  graph.                    (2)     1.7   A  container  of  volume  2  dm3  contains  a  fixed  mass  of  gas  at  a  temperature  of   20  °C  and  a  pressure  of  100  kPa.  Nombulelo  increases  the  temperature  of  the   container  and  the  gas  to  40  °C.  The  pressure  of  the  gas  in  the  container  …     100 ´ 40 A   increases  by     20 B   doubles   100 ´ 313 C   increases  to     293 D   halves                                                                                                                                                                                                                              (2)     1.8   The  following  graphs  represent  possible  relationships  between  pressure  and   volume  for  an  ideal  gas  (solid  line)  and  oxygen  (dashed  line).  Which  graph   correctly  illustrates  the  deviation  of  the  oxygen  gas  from  that  of  an  ideal  gas?  (Hint:   Assume  that  the  real  gas  did  NOT  liquefy  and  that  the  temperature  remained   constant  when  the  data  was  obtained.)                   A   B   C   D   (2)             QUESTION  2     23 At  a  temperature  of  27  °C,  3,01  ´  10  molecules  of  nitrogen  gas  occupy  a  container  with  a   volume  of  10  dm3.  Calculate  the  pressure  in  the  container.                                                                                        [6]           Page  38  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  39  of  78       QUESTION  3     Calculate  the  mass  of  helium  gas  that  you  need  to  occupy  a  volume  of  2,5  dm3  at  a   pressure  of  190  kPa  and  a  temperature  of  21  °C.  Give  your  answer  in  grams  and  round   your  answer  to  three  decimal  places.                                                                                                                                                          [6]     QUESTION  4     1 4.1   Draw  a  labelled  graph  of  pressure  versus    in  an  ideal  gas.  Assume  that  all   volume other  factors  remain  constant.                                                                                                                                                          (3)     4.2   On  your  graph  in  question  4.1,  show  how  the  graph  for  a  real  gas  differs  from  the   graph  of  the  ideal  gas.  Label  both  graphs  clearly.                                                                                              (2)     4.3   Show  that  the  unit  of  pV  is  equivalent  to  a  joule.                                                                                                  (4)                                                                                                                                                                                                                                                                                      [9]     QUESTION  5     Sizakele  fills  a  weather  balloon  to  a  volume  of  300  dm3  with  helium  gas  at  sea  level  where   the  temperature  is  18  °C.  She  releases  the  weather  balloon  and  it  reaches  a  height  of  15   000  m  above  sea  level.  At  this  height,  the  pressure  in  the  weather  balloon  decreases  to   12,3  kPa  and  the  temperature  decreases  to  –48  °C.  (Hint:  At  sea  level,  atmospheric   pressure  is  101,3  kPa.)     5.1   Describe  the  conditions  of  temperature  and  pressure  under  which  real  gases   behave  like  ideal  gases.                                                                                                                                                                                  (2)   5.2   Calculate  the  volume  of  the  balloon  at  15  000  m  above  sea  level.                                                (5)   5.3   Assume  that  the  helium  gas  behaves  like  an  ideal  gas.  Calculate  the  mass  of   helium  gas  that  Sizakele  needed  to  fill  the  balloon  at  sea  level.                                                        (6)                                                                                                                                                                                                                                                                                      [13]   QUESTION  6     The  following  diagram  represents  the  apparatus  Thabang  used  to  investigate  a  fixed  mass   of  air.  Thabang  pumped  air  from  a  bicycle  pump  into  the  pressure  gauge  on  the  right.   When  he  did  this,  the  air  from  the  pump  pushed  the  level  of  oil  in  the  oil  reservoir   downwards.  The  oil  in  the  glass  tube  then  moved  upwards.  This  reduced  the  volume  of  air   trapped  at  the  top  of  the  glass  tube.  Thabang  used  the  volume  scale  to  measure  the   change  in  the  volume  of  trapped  air.   Page  39  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  40  of  78           Thabang  obtained  the  following  results.   Pressure  (kPa)   Volume  (cm3)   105,0   30   126,0   25   157,5   20   210   15     6.1   Write  a  hypothesis  for  Thabang’s  experiment.                                                                                                        (2)   6.2   Draw  sketch  graphs  of  the  following  relationships.   a)   pressure  versus  volume                                                                                                                                                                (3)   1 b)   pressure  versus                                                                                                                                                                (3)   volume 6.3                  Name  the  factor  that  Thabang  keeps  constant  in  his  experiment.                                          (1)     6.4   State  ONE  experimental  procedure  that  Thabang  must  remember  so  that  he   obtains  reliable  readings.                                                                                                                                                                          (1)   6.5   State  a  conclusion  for  Thabang’s  experiment.                                                                                                          (2)   6.6   Name  and  state  the  law  that  Thabang  verified  in  his  experiment.                                              (2)                                                                                                                                                                                                                                                                                    [14]     QUESTION  7     Mrs  Kgopa  demonstrates  an  experiment  about  gases  to  her  Grade  11  class.  The  following   diagram  represents  the  apparatus  she  used.  She  attaches  a  bicycle  pump  to  the   apparatus.  She  then  increases  the  pressure  on  the  liquid  when  she  applies  pressure  to  the   bicycle  pump.     Page  40  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  41  of  78             7.1   Write  an  investigative  question  for  Mrs  Kgopa’s  experiment.                                                            (2)   7.2   Identify  the  independent  variable  in  this  experiment.                                                                                      (1)   7.3   After  each  increase  in  pressure,  explain  why  Mrs  Kgopa  should  leave  the   apparatus  alone  for  a  few  seconds  before  she  measures  the  volume  of  the  gas.(2)   1 7.4   Copy  the  following  table.  Calculate  the  values  of    to  complete  the  table.   V   1 p  (kPa)   V  (cm3)    (cm–3)   V 105,0   30     126,0   25     157,5   20     210,0   15                                                                                                                                                                                                                                                                    (4)   1 7.5   Draw  a  graph  of    versus  p.                                                                                                                                                                  (4)   V 7.6   State  a  conclusion  to  the  experiment.                                                                                                                                        (2)                                                                                                                                                                                                                                                                                      [15]   QUESTION  8     8.1   A  cylinder  contains  10  mol  of  gas  at  STP.   a)   Calculate  the  temperature  and  pressure  of  the  gas.                                                                              (2)   b)   Calculate  the  volume  of  the  gas.                                                                                                                                          (5)   c)   Determine  how  many  molecules  of  gas  there  are  in  the  cylinder.                                      (3)   8.2   An  air  bubble  on  the  ocean  bed  has  a  volume  of  1,5  cm3.  The  temperature  of  the   water  on  the  ocean  bed  is  5  °C.  The  air  bubble  rises  towards  the  surface  of  the   Page  41  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  42  of  78       ocean.  The  temperature  of  the  water  at  the  surface  is  15  °C  and  the  pressure  is   101,3  kPa.  The  volume  of  the  air  bubble  increases  to  4,5  cm3  at  the  instant  the   bubble  reaches  the  surface  of  the  water.   Calculate  the  pressure  that  the  water  exerts  on  the  air  bubble  on  the  ocean  bed.(6)                                                                                                                                                                                                                                  [16]   QUESTION  9     9.1   Give  THREE  statements  on  which  the  ‘kinetic  molecular  theory’  of  gases  is  based.   (6)   9.2   Rachel  measured  the  mass  of  an  empty  250  cm3  flask.  She  then  filled  the  flask   with  a  gas  of  unknown  molar  mass  at  an  atmospheric  pressure  of  100  kPa  and  a   temperature  of  27  °C.  She  found  that  the  mass  of  the  flask  and  contents  increased   by  0,44  g.   a)   Calculate  the  molar  mass  of  the  gas  Rachel  used  to  fill  the  flask.                                    (7)   b)   Assume  that  the  gas  molecules  are  only  made  up  of  carbon  and  oxygen.   Determine  the  molecular  formula  of  this  gas.                                                                                                    (3)   9.3   Copy  the  following  set  of  axes  onto  your  page.  Draw  a  line  to  show  the  relationship   between  the  pressure  and  the  inverse  of  the  volume  of  an  ideal  gas.                                                                                (2)     9.4   On  your  graph,  draw  a  line  for  the  same  ideal  gas,  but  at  a  lower  temperature.  Use   a  broken  line  to  represent  this  line.                                                                                                                                          (2)                                                                                                                                                                                                                                                          [20]     QUESTION  10     The  following  diagram  represents  the  apparatus  that  Tyrone  used  to  investigate  a  fixed   mass  of  dry  air.  The  round-­bottomed  glass  flask  has  a  fixed  volume  of  1,0  dm3.  This  flask   traps  the  air  as  Tyrone  increases  the  temperature  in  steps  by  heating  the  water.  He  then   measures  the  pressure  on  the  gauge  to  obtain  his  results.     Page  42  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  43  of  78           Tyrone  obtained  the  following  results  during  his  experiment.     Pressure  (kPa)   Temperature  (°C)   175   77   225   177   275   277   325   377     10.1   Write  a  hypothesis  for  Tyrone’s  experiment.                                                                                                                  (2)   10.2   Draw  a  graph  of  pressure  versus  temperature  (in  °C).                                                                                    (5)   10.3   State  the  relationship  between  pressure  and  temperature  for  the  fixed  mass  of  air.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            (2)   10.4   Explain  what  Tyrone  needs  to  do  to  the  graph  so  that  he  can  find  the  temperature   when  the  pressure  is  0  kPa.                                                                                                                                                                      (2)   10.5   In  terms  of  the  kinetic  molecular  theory,  explain  why  the  pressure  increases  when   the  temperature  increases.                                                                                                                                                                        (3)   10.6   Assume  that  the  molar  mass  of  air  is  approximately  28  g•mol–1.  Calculate  the   mass  of  the  air  in  the  1,0  dm3  round-­bottomed  flask.                                                                                          (6)                                                                                                                                                                                                                                                                [20]       Page  43  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  44  of  78       QUESTION  11     11.1   State  Boyle’s  law  in  words.                                                                                                                                                                        (4)   11.2   Explain  why  the  pressure  of  an  enclosed  gas  increases  as  the  volume  decreases.           (4)   11.3   Calculate  the  pressure  of  0,12  g  of  helium  if  the  gas  is  enclosed  in  a  10,0  dm3   container  at  a  temperature  of  100  °C.                                                                                                                                        (7)   11.4   The  calculated  value  of  pressure  in  question  18.3  is  almost  exactly  the  same  as   the  value  measured  under  these  conditions  experimentally.  Give  THREE  reasons   why  this  is  so.                                                                                                                                                                                                                  (6)   11.5   Copy  the  following  diagram  onto  your  page.  Draw  the  line  that  shows  the   relationship  between  volume  and  absolute  temperature  for  an  ideal  gas.                                                                                                                                (2)     11.6   On  your  graph,  draw  a  line  for  the  same  ideal  gas  at  a  higher  pressure.  Use  a   broken  line  to  represent  this  graph.  Label  the  two  lines  clearly.                                                        (2)                                                                                                                                                                                                                                                                                      [25]   QUANTITATIVE  ASPECTS  OF  CHEMICAL  CHANGE     MOLE  CONCEPT       1.  The  mole  and  Avogadro’s  Number  (NA)     Although  atoms  are  too  small  to  count  individually,  chemists  need  to  know  how  many  are  present   in  a  sample.    To  do  this  they  use  a  set  number  of  particles  as  a  base  unit  of  measurement.    This   unit  is  called  a  mole.     One  MOLE  of  a  substance  contains  the  same  number  of  particles  as  there  are  atoms  in   12g  of  carbon-­12,  which  is  6,02  x  1023.    This  is  called  the  AVOGADRO  NUMBER  (NA).     2.  Particle  Formula     n  =  no.  of  moles       No   No.  =  no.  of  particles  (atoms/  molecules/ions)     NA  =  Avogadro’s  Number,  6,023  x  1023     n   NA       Example  1     1  mole  of  H2O  contains  6,023  x  1023  molecules  of  H2O         1  mole  of  He  contains  6,023  x  1023  atoms  of  He     Page  44  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  45  of  78           1  mole  of  NO3–  contains  6,023  x  1023  NO3–  ions       Example  2     1.   Calculate  the  number  of  moles  represented  by  1,2  x  1024  molecules  of  CO2             n  =  No   =     1,2  x  1024   =  2  moles                                            NA     6  x  1023     Calculator:     1,2  exp  24  ÷  6  exp  23  =       2.   Calculate  the  number  of  molecules  in  0,5mol  of  SO2    gas.       No.  =  n  x  NA  =  0,5  x  6  x  1023  =  3  x  1023  molecules  of  SO2           Calculator:     0,5  x  6  exp  23  =  3  x  1023  (NOT  323)     3.   Calculate  the  number  of  atoms  in  0,5  mol  of  SO2    gas           1  molecule  of  SO2  contains  3  atoms       [i.e  1(S)  +  2(O)]     Therefore,     3  x  10  molecules  of  SO2  contains  3  x  3  x  1023)  atoms  =  9  x  1023  atoms   23     Activities  on  Particle  Formula     1.   Calculate  the  number  of  moles  represented  by       1.1   1,5  x  1023  atoms  of  He       1.2   2,4  x  1025  molecules  of  H2O       1.3   3  x  1021  molecules  of  CO     1.4   3,6  x  1023  “molecules”  of  NaCℓ       2.   Calculate  the  number  of  particles  in       2.1   0,2  mol  NH3       2.2   5  mol  O2       2.3   100  mol  CaSO4         2.4   4  mol  Ne       3.   For  each  of  the  examples  given  in  2  determine  the  number  of  atoms  present  in  the     sample.     Answers   1.1   0,25     1.2   40       1.3   0,0005   1.4   0,6   23 24 25 2.1   1,2  x  10   2.2   3  x  10   2.3   6  x  10   2.4   2,4  x  1024   3.1   4,8  x  1023   3.2   6  x  1024   3.3   3,6  x  1026   3.4   2,4  x  1024       3.  Relative  Atomic  Mass    (R.A.M.)     The  R.A.M.  of  an  element  (as  given  on  the  periodic  table)  is  the  average  mass  of  all  the  isotopes   of  atoms  of  the  element  compared  to  an  atom  of  carbon-­12  (i.e  it  is  how  many  times  the  average   mass  of  one  atom  of  the  element  is  heavier  than  1/12  of  the  mass  of  a  12C  atom.)         Page  45  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  46  of  78       4.  Relative  Formula  Mass  (R.F.M.)     The  R.F.M.  of  a  substance  can  be  obtained  by  adding  relative  atomic  masses  of  the  constituent   atoms,  as  given  on  the  periodic  table.     Example:     R.F.M.  of  H2SO4  =  2(H)  +  S  +  4(O)  =  2(1)  +  32  +  4(16)  =  98u     5.  Molar  Mass  (M)     The  molar  mass  of  a  substance  is  simply  the  Relative  Formula  Mass  expressed  in  grams  per  mol     (g.mol-­1)  and  it  represents  that  mass  of  a  particular  substance  which  contains  Avogadro’s   Number  of  particles.     Examples     Substance   Ar   H2O   KF   R.F.M.   40u   18u   58u   Molar  Mass  (M)   40g.mol-­1   18g.mol-­1   58g.mol-­1   Number  of  moles  (n)   1  mole   1  mole   1  mole   23 23   Number  of  particles   6  x  10   6  x  10 6  x  1023   atoms   molecules   “molecules”     6.  Mass  Formula     n  =  no.  of  moles       m   m  =  mass     M  =  Molar  mass  (from  Periodic  Table)       n   M     Examples       1.   Calculate  the  number  of  moles  in  7g  of  nitrogen  gas  (N2)       m 7 n  =          =              =  0,25mol       M 28     2.   Calculate  the  mass  of    3  moles  of  oxygen  molecules  (O2)         m  =  n  x  M  =  3  x  32  =  96g     Activities  Mass  Formula       1.   Calculate  the  number  of  moles  represented  by       1.1   90g  of  H2O       1.2   3,4g  of  NH3       1.3   110g  of  CO2       1.4   4,9g  of  H2SO4       2.   Calculate  the  mass  of       2.1   0,2  mol  of  Na2CO3       2.2   10  mol  of  N2O     2.3   0,4  mol  of  H2       2.4   5  mol  of  H2S     Page  46  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  47  of  78         3.   Calculate  the  number  molecules  in       3.1   36g  of  H2O       3.2   2,2g  of  CO2       3.3   70g  of  N2       3.4   8,5g  of  K2S     Answers   1.1   5  mol     1.2   0,2  mol   1.3   2,5  mol   1.4   0,05mol   2.1   21,2g   2.2   440g   2.3   0,8g   2.4   550g   3.1   1,2  x  1024   3.2   22 3  x  10   3.3   1,5  x  1024   3.4   1,5  x  1023     7.  Molar  Gas  Volume  (Vo)     Ø   One  mole  of  any  gas  at  STP  will  occupy  a  volume  of  22,4  dm3     Ø   STP  =  Standard  Temperature  (O  °C)  and  Pressure  (100  kPa)     Examples       SUBSTANCE   O2   CO2   Ne   No.  of  moles  (n)     1   1   1   -­1 Molar  mass  (g.mol )   32   44   20   No.  of  particles     6  x  1023  molecules     6  x  1023  molecules     6  x  1023  atoms     Volume  occupied  at   22,4dm3     22,4dm3     22,4dm3     STP       Equal  volumes  of  gases  measured  at  the  same  temperature  and  pressure,  contain  the  same   number  of  molecules.     Example     5dm3  of  oxygen  at  25°C  and  80kPa  pressure  contains  exactly  the  same  number  of  molecules  of   5dm3  of  hydrogen  gas  at  25°C  and  80kPa       8.  Volume  Formula     n  =  no.  of  moles       V   V  =  volume  measured  in  dm3       Vo  =  molar  volume  at  STP,  22,4dm3         n   Vo       NOTE:  To  convert  cm3  to  dm3  divide  by  1000,  eg  200cm3  =  0,2dm3       Examples       1.   Calculate  the  number  of  moles  of  gas  in  11,2dm3  of  SO2  at  STP.           n  =  V  =  11,2  =  0,5mol                      Vo        22,4   Page  47  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  48  of  78         2.   Calculate  the  volume  occupied  by  4  mols  of  H2  gas  at  STP           V  =  n  x  Vo  =  4  x  22,4  =  89,6dm3             3.   Calculate  the  volume  occupied  by  11g  of  CO2  gas  at  STP.         n  =  m  =  11  =  0,25  mol;;      V  =  n  x  Vo  =  0,25  x  22,4  =  5,6dm3                        M        44     Activities  Volume  Formula     1.   Calculate  the  number  of  moles  in  the  following  volumes  of  gas  measured  at  STP.       1.1   56dm3         1.2   1,12dm3       1.3   44,8dm3       1.4   672dm3       2.   Calculate  the  volume,  at  STP,  occupied  by         2.1   2  mol  of  Ne             2.2   0,1  mol  of  CO2       2.3   34g  of  NH3             2.4   4,2  x  1023  atoms  of  He       Answers   1.1   2,5     1.2   0,05       1.3   2     1.4   30   3 3 3 2.1   44,8dm     2.2   2,24dm     2.3   44,8dm   2.4   15,68dm3       Page  48  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  49  of  78       MOLE  CALCULATIONS       As  shown  the  number  of  moles  can  be  calculated  by  three  different  methods:   Ø   particle  formula;;     Ø   the  mass  formula;;     Ø   the  volume  formula.       Since  all  three  formulae  contain  the  number  of  moles,  it  is  best  when  solving  the  problems  to   always  try  and  determine  the  number  of  moles  first,  after  which  the  other  information  can  easily   be  calculated.         Activities     1.   Determine  the  number  of  moles  in       1.1   60g  of  carbon           1.2   2,8g  of  N2           1.3   8,8g  of  CO2             1.4   10g  of  CaCO3           1.5   3  x  1023  atoms  He           1.6   1,5  x  1024  molecules  H2S     1.7   1,8  x  1022  atoms  of  Fe         1.8   2,4  x  1025  molecules  of  CH4       1.9   11,2dm3  NH3  at  STP       1.10   224dm3  CO2  at  STP     1.11   5,6dm3  O2  at  STP           1.12   448dm3  Ne  at  STP     1.13   5,3g  of  Na2CO3           1.14   3  x  1024  molecules  of  H2O         3 1.15   89,6dm  Ar  at  STP       2.   Determine  the  mass  of       2.1   0,5  moles  Mg(NO3)2           2.2   3  moles  of  NaCℓ     2.3   20  moles  of  CuSO4             2.4   224dm3  CO2  at  STP     2.5   1,12dm3  NH3  at  STP           2.6   6  x  1022  molecules  of  F2     23 2.7   1,5  x  10  molecules  of  NO2         2.8   56dm3  SO2    at  STP     2.9   2,4  x  1023  molecules  of  PH3         2.10   44,8dm3  NO  at  STP       3.   Determine  the  volume,  at  STP,     3.1   6  moles  of  NH4           3.2   0,4  moles  N2O4     3.3   10  moles  of  O2           3.4   14g  N2     3.5   6,8g  H2S             3.6   3  x  1023  molecules  NO     3.7   9  x  1024  molecules  SO3         3.8   1,5  x  1026  atoms  Ne       4.   Determine  the  number  of  (A)  molecules  and  B  (atoms)  in       4.1   0,1  moles  of  CH4           4.2   50g  of  H2     4.3   5  moles  of  N2             4.4   112dm3  N2O  at  STP     4.5   340g  NH3             4.6   102g  H2S     4.7   4,9g  H2SO4             4.8   4480dm3  Cℓ2  at  STP     3 4.9   2,24dm  O2  at  STP     Answers   1.1   5     1.2   0,1   1.3   0,2   1.4   0,1   1.5   0,5   1.6   2,5     1.7   0,03   1.8   40     1.9   0,5     1.10   10   1.11   0,25     1.12   20   1.13   0,05   1.14   5   1.15   4     Page  49  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  50  of  78       2.1   74g     2.2   175,5g   2.3   3190g   2.4   440g   2.5   0,85g   2.6   3,8g     2.7   11,5g   2.8   160g   2.9   13,6g     2.10   60g     3.1   134,4dm3     3.2   8,96dm3     3.3   224dm3     3.4   11,2dm3     3.5   4,48dm3     3.6   11,2dm3     3.7   336dm3     3.8   5600dm3     3.9   44,8dm3     3.10   4,48dm3       A  (molecules)   4.1   6  x  1022   4.2   1,5  x  1025   4.3   3  x  1024   4.4   3  x  1024   4.5   1,2  x  1025   4.6   1,8  x  1024   4.7   3  x  1022   4.8   1,2  x  1026   4.9   6  x  1022   4.10   3  x  1023     B  (molecules)   4.1   3  x  1023   4.2   3  x  1025   4.3   6  x  1024   4.4   9  x  1024   4.5   4,8  x  1025   4.6   5,4  x  1024   4.7   2,1  x  1023   4.8   2,4  x  1026   4.9   1,2  x  1023   4.10   1,2  x  1024     Stoichiometric  Calculations     •   Balanced  equations  contain  the  same  number  of  each  kind  of  atom  on  each  side  of  the   equation.   •   The  total  calculated  mass  of  the  reactants  is  equal  to  the  total  calculated  mass  of  the   products  in  a  balanced  equation.   •   The  co-­efficients  in  a  balanced  equation  give  mole  relationships  between  reacting   chemicals.   •   The  quantity  of  product  formed  in  the  reaction  is  determined  by  the  reactant  which  is  not  in   excess  (i.e.  limiting  reactant).     Example               N2(g)   +   3H2(g)     ®   2NH3(g)     Mole  ratio     1  mol     3  mol       2  mol       Mass  ratio       28g       6g         34g           Volume  ratio     22,4dm3     67,2dm3       44,8dm3     (at  STP)     From  the  above  equation,  it  can  be  said  that  one  mole  of  N2  will  react  with  3  moles  of  H2  to  form  2   moles  of  NH3.    Since  the  ratio  in  which  the  masses  react  is  directly  related  to  the  mole  ratio  it  is   possible  to  relate  these  variables  in  a  balanced  equation  by  converting  the  given  information  to   moles  using  one  of  the  3  mole  formulae.     1.1   How  many  moles  of  NH3  are  formed  when  6  moles  of  H2  react  with  excess  nitrogen?     Rewrite  the  equation  and  fill  in  the  mole  ratio.               N2(g)     +   3H2(g)   ®   2NH3(g)     Mol  ratio         1       3       2         When  H2  =  6  mol     2       6       4     (x2)       4  mols  of  NH3  are  formed  from  6  mols  of  H2           Page  50  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  51  of  78       1.2   What  volume  of  NH3  would  be  formed  when  24g  of  H2,  react  with  excess  N2  at  STP?     Step  1     Convert  given  information  to  MOLES,  if  not  already  in  moles.       24g  of  H2     n  =  m  =  24  =  12mol  of  H2                        M            2   Step  2     Find  MOLE  RATIO  between  what  is  given  and  what  is  required.       Mole  ratio     H2     :     NH3             3   :     2       (from  balanced  equation)           12   :     8     (x4)     Step  3     Calculate  the  required  quantity  using  the  appropriate  mole  formula       Volume  of  8  mols  of  NH3?       V  =  n  x  22,4  =  8  x  22,4  =  179,2dm3  of  NH3       1.3   What  mass  of  N2  is  required  to  produce  4,48dm3  of  NH3  at  STP?     Step  1     Convert  given  information  to  MOLES       4,48dm3  of  NH3   n  =    V      =  4,48  =  0,2  mols  of  NH3                        22,4        22,4       Step  2     Find  MOLE  RATIO  between  what  is  given  and  what  is  required.       Mol  ratio  :   N2     :     NH3             1   :     2       (from  balanced  equation)           0,1   :     0,2     (x0,1)     Step  3     Calculate  the  required  quantity  using  the  appropriate  mole  formula       Mass  of  N2     m  =  n  x  M  =  0,1  x  28  =  2,8g  of  N2       Activities  on  mass-­mass,  volume-­volume  &  mass-­volume  calculations       1.   Consider  the  balanced  equation:    2H2(g)   +   O2(g)     ®   2H2O(g)     1.1   How  many  moles  of  H2O  are  formed  when  5  moles  of  O2  react  with  excess  H2?     1.2   What  mass  of  H2O  is  formed  when  5  moles  of  O2  react  with  excess  H2?   1.3   What  mass  of  H2  is  needed  to  react  with  64g  of  O2?   1.4   What  volume  of  O2  at  STP  is  required  to  react  with  11,2dm3  of  H2?   1.5   What  volume  of  H2O  is  formed  when  44,8dm3  of  O2  react  with  excess  H2  at  STP?     2.   Consider  the  balanced  equation:          4NH3(g)    +   5O2(g)        ®   4NO(g)      +        6H2O  (g)     2.1   How  many  moles  of  NO  are  formed  when  1  mole  of  O2  reacts  with  excess  NH3?   2.2   What  volume  of  NO  is  formed  when  1  mole  of  O2  reacts  with  excess  NH3    at  STP?   2.3   What  mass  of  H2O  is  formed  when  34g  of  NH3  reacts  with  excess  O2?     2.4   What  volume  of  NO  is  formed  when  16g  of  O2  react  with  excess  NH3  at  STP?   2.5   What  mass  of  NH3  is  needed  to  react  with  224dm3  of  O2  at  STP?   2.6   425g  of  NH3  and  80g  of  O2  are  allowed  to  react  together.  Which  reactant  is  used  up  first     and  what  ass  of  the  other  reactant  is  in  excess?     3.   Consider  the  balanced  equation:    Aℓ4C3(s)      +   12H2O(ℓ)      ®    3CH4(g)  +  4Aℓ(OH)3(s)   3.1   How  many  moles  of  CH4  are  formed  when  4  moles  of  H2O  react  with  excess  Aℓ4C3?     3.2   What  volume  of  CH4  is  formed  when  4  moles  of  H2O  react  with  excess  Aℓ4C3  at  STP?   3.3   What  mass  of  Aℓ4C3  is  needed  to  form  4,8g  of  CH4?   Page  51  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  52  of  78       3.4   What  volume  of  CH4  is  formed  when  288g  of  Aℓ4C3  react  with  excess  H2O?   3.5   What  mass  of  Aℓ(OH)3  is  formed  from  108g  of  H2O?   3.6   28,8g  of  Aℓ4C3  is  allowed  to  react  with  45g  of  H2O.    Which  reactant  is  used  up  first  and     what  mass  of  the  other  reactant  is  in  excess?       4.   Consider  the  balanced  equation:   SO2(g)        +        2H2S          ®   3S(s)        +        2H2O(ℓ)   4.1   How  many  moles  of  H2S  are  needed  to  form  9  moles  of  S?   4.2   What  mass  of  H2S  is  needed  to  form  9  moles  of  S?   4.3   What  volume  of  SO2  is  needed  to  form  3,6g  of  H2O  at  STP?   4.4   What  mass  of  S  will  be  formed  when  16g  of  SO2  react  with  excess  H2S?   4.5   What  volume  of  H2S  is  needed  to  form  9,6g  of  S?   4.6   6dm3  of  SO2  is  allowed  to  react  with  11,2dm3  of  H2S  at  STP.    Which  reactant  is  used  up     first  and  what  volume  of  the  other  reactant  is  in  excess?     5.   Consider  the  balanced  equation:     N2(g)        +        3H2          ®        2NH3(g)     5.1   How  many  moles  of  NH3  are  formed  from  12  moles  of  H2?   5.2   What  mass  of  N2  is  needed  to  form  4  moles  of  NH3?   5.3   What  volume  of  N2  is  needed  to  completely  react  with  1,5  moles  of  H2?   5.4   What  mass  of  NH3  is  formed  when  2,8g  of  N2  reacts  with  excess  H2?     5.5   What  volume  of  H2  is  needed  to  form  5,6dm3  of  NH3  at  STP?   5.6   What  mass  of  N2  is  needed  to  form  5,6dm3  of  NH3  at  STP?   5.7   44,8dm3  of  N2  is  allowed  to  react  with  14g  of  H2  at  STP.  Which  reactant  is  used  up  first     and  what  mass  of  the  other  is  in  excess?           Answers   1.1   10  mol   1.2   180g     1.3   8g   1.4   5,6dm3       1.5   72g     2.1      0,8  mol   2.2   17,92dm3     2.3   54g   2.4      8,96dm3   2.5    136g   2.6      8,5g  NH3  ix   XS     3.1      1  mol   3.2      22,4dm3     3.3        14,4g   3.4      134,4dm3     3.5    156g   3.6    1,8  x  H2O  in   XS       4.1        6  mol     4.2        204g   4.3        2,24dm3     4.4        24g   4.5        4,48dm3     4.6        0,4dm3  SO2  in   XS     5.1    8  mol     5.2    56g   5.3        11,2dm3       5.4        3,4g   5.5      6,72dm3     5.6    3,5g   5.7    2g  H2  in  XS     Page  52  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  53  of  78       Concentration  of  Solutions     Concentration  of  a  solution  refers  to  moles  of  a  solute  per  unit  volume  of  a  solvent.   The  concentration  of  a  solution  is  determined  by  use  of  the  following  formulae:      c  =  n    n  =  m   m                    V                  M   c        M    V                           and                                                  which  combine  to  give                                 Symbol   Quantity   Unit   M   mass   g   M   molar  mass   g.mol-­1   To  convert  cm3   to  dm3  divide  by   N   no.  of  moles   mol   1000     C   concentration   mol.dm-­3   V   volume   dm3       NOTE:     1cm3  =  1ml   ;;   1dm3  =  1litre     Example  1:  Calculating  Concentration     Calculate  the  concentration  of  the  solution  formed  when  10,6g  of  sodium  carbonate  (Na2CO3)  is   dissolved  in  water  and  the  solution  is  made  up  to  200cm3.     Method  A                 Method  B   -­1     M    of  Na2CO3  =    2(23)  +  12  +  3(16)  =  106g.mol c  =  m      =  10,6                  =  0,5mol.dm-­3   V  =  200  ÷  1000  =  0,2dm3                                          MV        106  x  0,2   -­3 n  =  m    =    10,6    =  0,1mol        ;;    c  =  n    =  0,1    =  0,5mol.dm            M              106                                                          V        0,2     Example  2:  Calculating  Mass     Calculate  the  mass  of  sodium  hydroxide  (NaOH)  required  to  make  a  solution  of  concentration   0,1mol.dm-­3  in  a  250cm3  flask.     Method  A               Method  B   -­1 M  of  NaOH  =  23  +  10  +  1  =  40g.mol       m  =  c  x  M  x  V   V  =  250  ÷  1000  =  0,25dm3                                                                                            =  0,1  x  40  x  0   n  =  c  x  V  =  0,1  x  0,25  =  0,025mol                                                                          =  1g     m  =  n  x  M  =  0,025  x  40  =  1g       Example  3  :Diluting  a  solution       20cm3  of  hydrochloric  acid  (HCl)  of  concentration  0,4mol.dm-­3  is  diluted  by  adding  it  to  80cm3  of   distilled  water.  Calculate  the  concentration  of  the  diluted  acid.     Method   The  number  of  moles  of  HCℓ    stays  the  same  regardless  of  the  amount  of  water  added.   n  =  c  x  V  =  0,4  x  0,02  =  0,008mol  of  HCl  in  original  solution   Page  53  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  54  of  78       The  volume  has  increased,  Vnew  =  0,02  +  0,08  =  0,1  dm3   c  =  n  =  0,008  =  0,08mol.dm-­3            V            0,1   Example  4  :  Mixing  solutions  (HG)     200cm3    of  NaOH  of  concentration  0,2mol.dm-­3  is  added  to  300cm3  of  Na2CO3  of  concentration   0,15mol.dm-­3.  Calculate  the  concentration  of  Na+  ions  in  the  solution.       Method   NaOH(s)      ®   Na+(aq)        +   OH  –       1  mol     1mol     1mol   n  =  c  x  V  =  0,2  x  0,2  =  0,04  mol  of  NaOH,  therefore,  0,04mol  of  Na+  ions  (refer  to  dissociation   equation)     Na2CO3(S)      ®   2Na+(aq)    +    CO32–  (aq)   1mol     2mol              1mol   n  =  c  x  V  =  0,15  x  0,3  =  0,045mol  of  Na2CO3,  therefore,  (2  x  0,045)  =  0,09mol  of  Na+  ions  (refer   to   dissociation  equation)     c  =  n  total  =  0,04  +  0,09  =  0,13  =  0,26  mol.dm  -­3              Vtotal          0,2  +  0,3                0,5     Activities  :  Concentration  Calculations     1.   Calculate  the  mass  of  NaOH  in  100cm3  of  a  solution  of  concentration  0,15mol.dm-­3.     2.   Calculate  the  concentration  of  a  solution  containing  5,3g  of  Na2CO3  in  500cm3  of  water.     3.   Calculate  the  concentration  of  50cm3  of  a  solution  containing  0,49g  of  H2SO4  .     4.   If  3,15g  of  HNO3  was  dissolved  in  250cm3  of  solution  what  would  the  concentration  be?         5.   Calculate  the  mass  of  CaSO4  needed  to  make  100cm3  of  a  solution  of  concentration     0,2mol.dm-­3.     6.   87g  of  K2SO4  is  dissolved  to  make  a  solution  of  concentration  0,8mol.dm-­3.  What  is  the     volume  of  this  solution?     7.   2,84g  of  Na2SO4  is  dissolved  in  water  to  form  a  solution  of  volume  250cm3.       7.1   Write  an  equation  showing  how  the  Na2SO4  dissociates  in  water.         Calculate:     7.2   the  concentration  of  the  Na2SO4  solution;;   and   +   7.3   the  concentration  of  Na  ions  in  the  solution.     8.   Calculate  the  concentration  of  NO3  -­  ions  in  a  solution  containing  4,44g  of  Mg(NO3)2  in     200cm3.     9.   36g  of  MgSO4  and  19g  of  MgCl2  are  mixed  together  to  form  a  solution  of  total  volume     250cm3.  What  is  the  concentration  of  Mg2+  ions  in  this  solution?   Page  54  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  55  of  78         10.   200cm3  of  a  0,25mol.dm-­3  of  NaOH  is  mixed  with  300cm3  of  a  0,1mol.dm-­3  solution  of     Na2CO3.  Calculate  the  total  concentration  of  Na+  ions  in  this  solution.     11.   What  volume  of  water  must  be  added  to  200cm3  of  a  0,56mol.dm-­3  NaOH  solution  to     change  the  concentration  to  0,4mol.dm-­3  ?     12.   150cm3  of  distilled  water  is  added  to  250cm3  of  NaOH  which  has  a  concentration  of     0,1mol.dm-­3.    What  is  the  final  concentration  of  the  diluted  NaOH?     Answers   1.         0,6g   2.         0,1mol.dm-­3   3.       0,1mol.dm-­3   4.         0,2mol.dm-­3   5.       2,72g   6.     0,625dm3   7.2         0,08mol.dm-­3   7.3         0,16mol.dm-­3   -­3 8.           0,3mol.dm     9.     2mol.dm-­3   10.   0,22mol.dm-­3   11.         0,08dm3     12.         0,0625mol.dm-­3       Percentage  Composition       This  gives  the  percentage  of  each  element  which  makes  up  a  compound.     Example       Find  the  percentage  composition  of  H2SO4               Molar  mass  of  H2SO4     =  98  g.mol-­1     2     Mass  of  H     2  x  1  =  2g         %  of  H  =                  x  100  =  2,04%   98       Mass  of  S     1  x  32  =  32g         32 %  0f  S  =                  x  100  =  32,65%       98     Mass  of  O     4  x  16  =  64g         64 %  of  O  =                  x  100  =  65,31%     98   Empirical  Formula       This  is  the  simplest  formula  of  a  compound.    The  simplest  ratio  of  the  elements  found  from  the  %   composition  and  the  atomic  masses  of  elements.    The  real  formula  can  be  a  multiple  of  the   simplest  formula     Example       (a)   The  percentage  composition  of  a  compound  is  80%  C;;  20%  H.    Find  the           empirical  formula.               In  100g  of  the  compound  there  are  80g  C  and  20g  H       80 20            Convert  to  moles  :                      =  6,66mol  C;;     =  20  mol  H       12 1 Page  55  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  56  of  78           Ratio  C  :  H  =  6,66  :  20     (divide  by  the  smallest  number  to  get  the  simplified  ratio)           6,66 Simplified  ratio  =            :     20   =  1  :  3       6,66 6,66     Empirical  formula  =  CH3             (b)   If  the  molecular  mass  of  the  above  compound  is  30g.mol-­1  find  the  true           formula.           Molecular  mass  =  30g.mol-­1  (given)       Empirical  formula  mass  =  15g.mol-­1           Number  of  formula  units  =  30/15  =  2           True  formula  =  2(CH3)  =  C2H6         Activities       1.   Find  the  %  composition  of    a)   Cu(NO3)2       b)   caffeine  C8H10N4O2       2.   Find  the  percentage  of  water  of  crystallization  in  Epsom  salts  MgSO4.7H2O.     3.   Ammonium  nitrate  NH4NO3  and  ammonium  sulphate  (NH4)2SO4  are  both  used  as  nitrogen     fertilizers.    Which  compound  contains  the  greater  percentage  of  nitrogen?     4.   Find  the  empirical  formulae  of  the  compounds  which  have  the  following  percentage     composition.     Name  these  compounds.     4.1   54%  Ca     43%  O     2,7%  H   4.2   63,4%  Ag     8,25%  N     28,35%  O   4.3   56%  Ba     29,2%  Cl     14,8%  H2O       5.   Compounds  of  hydrogen  and  boron  are  called  boranes.    One  of  these  has  the  percentage     composition  78,55%  B  and  21,45%  H.    If  its  molar  mass  is  28g.mol-­1  what  is  its  molecular     formula?     6.   Xylene  is  the  solvent  used  in  marker  pens.    The  %  composition  of  xylene  is  88,88%  C  and     11,11%  H.    If  the  molecular  mass  of  xylene  is  108g.mol-­1  find  the  empirical  and  molecular     formula.     7.   Gypsum  (hydrated  calcium  sulphate)  is  heated  to  make  Plaster  of  Paris.    When  1g  of     gypsum  was  heated  to  drive  off  the  water  0,79g  of  calcium  sulphate  remained.     7.1   How  many  moles  of  calcium  sulphate  are  there  in  this  sample?   7.2   How  many  moles  of  water  are  there  in  this  sample?         Page  56  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  57  of  78       Water  of  Crystallisation     One  needs  to  be  able  to:     Ø   explain  the  terms  anhydrous,  hydrated  and  water  of  crystallisation.   Ø   calculate  the  formula  of  a  hydrated  salt.     Some  substances  can  trap  water  molecules  inside  of  them.  The  water  contained  is  called  the   water  of  crystallisation.     There  are  two  ways  in  which  a  formula  can  be  written  if  it  is  a  hydrated  compound:   1)   Empirical  formula,  which  you  know  and  love;;   2)   Dot  formula,  so  copper  sulfate  pentahydrate  becomes  CuSO4  •  5H2O.     Example     A  sample  of  hydrated  calcium  sulphate,  CaSO4●xH2O,  has  a  relative  formula  mass  of  172.   Calculate  the  value  of  x.       40+32  +  (4×16)  +  x(2+16)  =  172                        x  =  2       Percentage  Yield       Yield:  the  amount  of  product.   Theoretical  yield:  the  amount  of  product  we  expect,  based  on  stoichiometric  calculations.   Actual  yield:  amount  of  product  from  a  procedure  or  experiment  (this  is  given  in  the  question).     WXHYWZ  [\]Z^ Percent  yield  =    ×100%   H_]`']H\XWZ  [\]Z^     Example     What  is  the  %  yield  of  H2O  if  138  g  H2O  is  produced  from  16  g  H2  and  excess  O2?     Step  1:  Write  the  balanced  chemical  equation       2H2  +  O2  ®  2H2O   Step  2:  Determine  actual  and  theoretical  yield.   Mc  ×Ic     theoretical  amount  of  water  to  be  produced  =    =  144  g   d Step  3:  Calculate  %  yield   WXHYWZ  [\]Z^     %  yield  =    ×100%   H_]`']H\XWZ  [\]Z^ MIe          =   ×100%   Mdd          =  95,83%         Page  57  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  58  of  78       Percentage  Purity     Ø   Chemicals  are  a  mixture  of  different  compounds   Ø   Chemical  analysis  can  determine  the  composition  of  minerals   Ø   Then  composition  can  be  used  to  work  out  purity  of  products.   Ø   Can  be  calculated  using:                                 fWgg  `h  iY']  i'`^YXHg   %  purity=  x100%   fWgg  `h  H_]  gWfiZ]   Example     1)   3,68g  of  washing  soda  crystals(Na2CO3.5H2O)  are  dissolved  in  water  and  made  up  to  a   volume  of  275cm3.  25  cm3  of  this  sample  is  neutralised  by  23,5  cm3  of  HCl  of   concentration  of  0,11  mol.dm-­3.  Calculate  the  percentage  purity  of  Na2CO3  in  the   commercial  washing  soda.   2)   An  impure  sample  of  table  salt  that  is  contaminated  by  sand  has  a  mass  of  5,5  g.  The     sample  is  dissolved  in  distilled  water  and  then  filtered.  The  residue  that  stays  behind  after   being  filtered  is  dried  and  its  mass  is  1,5g.  Calculate  the  percentage  purity  of  the  table  salt   in  the  sample.           PREVIOUS  EXAM  QUESTIONS     Question  5  (EC  November  2016)     5.1   In  order  to  determine  the  empirical  and  molecular  formula  of  a  compound,  CxHy,  a  certain     mass  of  the  compound  is  burnt  completely  in  excess  oxygen  to  produce  47,1  g  CO2  and     19,35  g  H2O    as  the  only  products.         5.1.1    Define  the  term  empirical  formula.               (2)   5.1.2     Use  relevant  calculations  to  determine  the  empirical  formula  of  the  compound.   (8)   5.1.3     The  molar  mass  of  the  compound  is  28  g.mol-­1.  Determine  by  using  calculations      The  values  of  x  and  y.                     (2)       5.2   A  sample  of  IMPURE  calcium  carbonate  (limestone)  of  unknown  mass  required  a     continuous  supply  of  strong  heat  to  decompose  according  to  the  following  equation:             CaCO3(s)  →  CaO(s)  +  CO2(g)         After  the  completion  of  reaction,  11,76  g  CaO  was  produced.  The  percentage  purity  of       calcium  carbonate  is  found  to  be  80%.       5.2.1     Calculate  the  mass  of  the  impure  calcium  carbonate.           (6)           Page  58  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  59  of  78       Question  5  (EC  November  2012)     A  learner  wants  to  determine  the  molecular  formula  of  a  compound  found  in   cigarettes.  The  learner  asks  for  your  help  with  the  calculation.  The  following  is   known  about  the  compound:  It  is  responsible  for  cigarettes  being  such  an  addictive   substance,  it  has  a  molecular  mass  of  162,2  g∙mol-­1  and  its  percentage  composition   is  74,07%  C;;  8,65%  H  and  17,28%  N.     5.1   Name  the  compound  being  referred  to  here.             (2)   5.2   As  much  as  the  substance  referred  to  in  QUESTION  5.1  is  responsible  for  the     addiction  of  smokers  to  cigarettes,  it  is  used  in  some  products  to  help  them     overcome  their  addiction.  Name  ONE  example  of  such  a  product.       (2)   5.3   Cigarette  packs  contain  various  warnings  on  them  concerning  the  harmful     effects  of  smoking.  Name  ONE  harmful  effect  of  smoking  on  humans.     (1)   5.4   Show,  by  means  of  calculation,  how  you  would  go  about  helping  the  learner     determine  the  molecular  formula  of  this  compound.           (7)     Question  8  (GP  June  2016)       8.1  A  laboratory  analysis  of  a  compound  shows  that  it  has  the  following  chemical  composition:             Carbon:  76  %  Hydrogen:  12,5%  Oxygen:  11,5%           8.1.1  Determine  the  empirical  formula  for  the  compound.         (5)     8.1.2  Determine  the  molecular  formula  if  the  molar  mass  of  the  compound  is                      282  g.mol-­1                       (4)   8.2   14,5  g  of  iron  reacts  with  12  g  of  water  during  a  corrosion  reaction  to  form  Fe3O4  and  H2,     according  to  the  following  equation.                   Fe  +  H2O  →  Fe3O4  +  H2         8.2.1  Balance  the  equation.                   (3)     8.2.2  Find  the  substance  which  is  the  limiting  reactant?  Show  your  calculations.     (6)     8.2.3  Using  the  calculations  in  your  answer  to  Question  8.2.2,  determine  the  mass  of                        Fe3O4  that  will  be  formed.                   (3)   8.3     Chalk  is  almost  pure  calcium  carbonate.  If  10  g  of  chalk  was  reacted  with  an  excess  of     dilute  hydrochloric  acid,  2.128  litres  of  carbon  dioxide  gas  is  collected  at  STP.           CaCO3  (s)  +  2HCl  (aq)  →  CaCl2  (aq)  +  H2O  (l)  +  CO2  (g)         Determine  the  purity  of  calcium  carbonate.               (5)           Page  59  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  60  of  78       Question  8   (Hilton  College  2013)                       8.1   When  a  50  g  sample  of  impure  calcium  carbonate  is  heated,  10  dm3  of  carbon  dioxide,     measured  at  STP,  are  evolved.    Refer  to  the  balanced  chemical  equation  below  and     answer  the  questions  that  follow.     CaCO3            ®            CaO          +          CO2.       8.1.1   Calculate  the  number  of  moles  of  carbon  dioxide  gas  that  forms?     (2)     8.1.2   What  mass  of  pure  calcium  carbonate  has  reacted?         (3)     8.1.3   Calculate  the  percentage  purity  of  calcium  carbonate.         (2)     8.2   40  cm3  of  sulphur  dioxide  react  with  30  cm3  of  oxygen  gas  to  form  sulphur  trioxide.       Assume  that  the  reaction  has  run  to  completion  and  all  volumes  are  measured  at  the     same  temperature  and  pressure.           8.2.1   Write  a  balanced  chemical  equation  for  the  reaction.         (3)     8.2.2   Which  of  the  reactants,  sulphur  dioxide  or  oxygen,  is  the  limiting  reagent?   (2)     8.2.3   Calculate  the  volume  of  the  remaining  gases  at  the  end  of  the  reaction.   (5)     8.3   Chromium,  a  transition  element,  forms  a  variety  of  compounds  of  various  colours.    Among     these    compounds  sodium  dichromate  is  commercially  the  most  important  compound.  A     chemical  analysis  revealed  the  following  information  about  the  chemical  composition  of     sodium  dichromate  by  mass:       Na:   17,5%       Cr:   39,7%           O:     42,8%     8.3.1   Define  the  concept  empirical  formula.             (2)     8.3.2   Determine  the  empirical  formula  of  the  above  compound.       (5)   8.4   Muriatic  acid,  an  industrial  grade  of  concentrated  HCℓ,  is  used  to  clean  bricks  and  to  etch     cement  for  painting.  Its  concentration  is  11,7  mol∙dm-­3.   8.4.1   How  much  water  must  be  added  to  the  concentrated  muriatic  acid  to  produce       5  litres  of  a  diluted  muriatic  acid  of  concentration  3,5  mol∙dm-­3  acid  for  routine       use.                         (5)   -­3 8.4.2   Determine  the  volume  of  muriatic  acid  solution  of  concentration  11.7  mol.dm         which  contains  9,55  g  of  HCℓ.                 (3)             Page  60  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  61  of  78       Energy  changes  in  reactions  related  to  bond  energy  changes       •  Define  heat  of  reaction  (ΔH)  as  the  energy  absorbed  or  released  per  mole  in  a  chemical   reaction.      ΔH  =  Hproducts  –  Hreactants,  where  Hproducts  and  Hreactants  are  the  heat  (energy)  of  the          products  and  reactants  respectively.       •  Define  exothermic  reactions  as  reactions  that  release  energy.     •  Define  endothermic  reactions  as  reactions  that  absorb  energy.     •  Classify,  with  reason,  reactions  as  exothermic  or  endothermic.     Exothermic  and  endothermic  reactions       •  State  that  ΔH  >  0  for  endothermic  reactions,  i.e.  reactions  in  which  energy  is  absorbed.     •  State  that  ΔH  <  0  for  exothermic  reactions,  i.e.  reactions  in  which  energy  is  released.       Activation  energy       •  Define  activation  energy  as  the  minimum  energy  needed  for  a  reaction  to  take  place.     •  Define  an  activated  complex  as  the  unstable  transition  state  from  reactants  to  products.     •  Draw  or  interpret  fully  labelled  sketch  graphs  (potential  energy  versus  course  of  reaction   graphs)  of  catalysed  and  uncatalysed  endothermic  and  exothermic  reactions.       Chemical  Change/Reaction     Is  the  change  that  involves  the  formation  of  a  new  substance  e.g  combustion  of  petrol,  rusting  of   iron.         ü   can  be  represented  using  a  chemical  equation   Reactants(R)  →  Products(P)   •   The  arrow  shows  that  the  reactants  are  used  up  to  form  products.   •   Reactant  is  the  substance  that  is  used  up  during  a  chemical  reaction   •   Product  is  the  substance  that  is  formed  during  a  chemical  reaction     Energy  and  Chemical  Change     HEAT  OF  REACTION/ENTHALPY  CHANGE   •   is  the  energy  absorbed  or  released  in  a  chemical  reaction?   •   Symbol  is  ∆H   •   Unit  is  kJ  or  kJ.mol-­1     BOND  ENERGY      Is  defined  as  the  amount  of  energy  required  to  break  a  bond  in  1  mole  of  a  molecule.     Page  61  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  62  of  78       BOND  ENERGIES  OF  SOME  COVALENT  BONDS     Type  of  bond   Bond  Energy  (kJ.mol-­1)       H  –  H   436   C-­H   414   O-­H   460   N-­H   390   C-­C   347   O=O   499   C=O   799   NΞN   946       There  are  two  types  of  reaction  based  on  energy  and  chemical  change  i.e.     1.   Exothermic  reaction   2.   Endothermic  reaction   Exothermic  reaction  is  the  reaction  that  releases  energy   Endothermic  reactionis  the  reaction  that  absorb  energy     CHEMICAL  REACTIONS  TAKE  PLACE  IN  TWO  STAGES:   1.   The  bonds  in  the  reactant  molecules  are  broken  to  form  free  atoms.  This  step  requires   more  energy  and  is  endothermic.   2.   The  free  atoms  bond  together  to  form  the  product  molecules.  This  step  releases  energy   and  is  exothermic.   The  stage  with  the  highest  energy  determines  whether  an  overall  energy  change  is   endothermic  or  exothermic.     ENERGY  CHANGES  IN  FUELS     Fuels  undergo  combustion  reactions  in  the  presence  of  oxygen  to  produce  water  and  carbon   dioxide.   Combustion  reactions  are  highly  exothermic  and  release  large  amounts  of  heat  energy  and  light   energy.   Example:   When  methane  burns  in  the  presence  of  oxygen:   CH4    +    2O2    →    CO2    +    2H2O    +  heat     Energy  needed  to  break  the  bonds:     C-­H  BONDS  =4  X  414  =1656  kJmol   O=O  BONDS  =2  X499=  998  kJ/mol   TOTAL  =  1656  +998  =  2654  kJ/mol     Page  62  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  63  of  78       ENERGY  RELEASED  TO  FORM  NEW  BONDS:     C=O  BONDS  =  2  x  799  =  1598  kJ/mol   O-­H  BONDS  =  4  X  460  =  1840kJ/mol   TOTAL  ENERGY  RELEASED  =  1598+  1840  =3438kJ/mol     More  energy  is  released  therefore  the  reaction  is  exothermic.     Change  in  energy  =  energy  needed  –  energy  released       =2654-­3438  =  -­784kJ/mol     ENERGY  CHANGES  IN  BIOLOGICAL  SYSTEMS     1   Photosynthesis  is  highly  endothermic  as  it  requires  huge  amounts  of  light  energy.     6CO2  +  6H2O  +  light  energy  →  C6H12O6  +  6  O2     2    Respiration  is  the  reverse  of  photosynthesis  and  releases  energy  and  is  exothermic.     C6H12O6  +    6  O2    →    6CO2  +  6H2O  +  energy       Energy  profiles   Reactions  are  classified  as  exothermic  and  endothermic   •   Enthalpy(H)  is  the  amount  of  energy  of  reactants  or  products   •   Enthalpy  cannot  be  measured   •   Enthalpy  change  (∆H)  can  be  calculated  using:  ∆H=  Hproducts-­Hreactants   •    exothermic  reactions  have  a  negative  value  of  ∆H     •   endothermic  reactions  have  a  positive  value  of  ∆H       ΔH  <  0  for  exothermic  reactions,  i.e.  reactions  in  which  energy  is  released.           Reactants         ΔH  is  negative/  Heat  released   Potential  Energy       Products   kJ.mol-­1           Reaction  Progress     Endothermic  reactions   Page  63  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  64  of  78         •   Heat  energy  is  taken  in,  ∆H>0,  ∆H  is  positive   •   Enthalpy  of  reactants  is  less  than  the  enthalpy  of  products       Products     Potential  Energy       kJ.mol-­1     ΔH  is  positive/  Heat  absorbed   Reactants   Reaction  Progress   EXOTHERMIC REACTIONS: reactions in which energy is released ∆H<0, ∆H is negative Activated  complex   Activation   Reactants   energy   ΔH  is  negative/  Heat  released   Products   •   Activation  energy  is  the  minimum  energy  needed  for  a  reaction  to  take  place   •   Activated  complex  is  the  unstable  transition  state  from  reactants  to  products  or  is  the   temporary  unstable  state  that  is  formed  during  the  course  of  a  chemical  reaction   ACIDS  AND  BASES       •   Acids  and  bases  are  chemicals  that  exhibit  their  chemical  behaviour  when  dissolved  in   water.  Hence,  when  dealing  with  them  the  word  aqueous  will  be  repeatedly  used,  so  is  in   the  chemical  equations  for  these  substances.  Acids  and  bases  when  dissolved  in  water   they  produce  ions;;  therefore,  will  produce  electrolytes.     •   Electrolytes  are  ionic  solution  that  is  able  to  conduct  electricity.   •   There  are  different  types  of  acids  and  bases  that  are  occurring  naturally;;  however,  also   have  laboratory  derived  acids   Page  64  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  65  of  78       •   Acids  and  bases  are  defined  based  of  two  theories  i.e.  Lowry-­Bronsted  and  Arrhenius     Table1:  Illustrates  acid  and  base  definition  using  different  theories.         definition   Acid     Base   + Lowry-­ An  acid  is  a  proton  donor  (H )   A  base  is  a  proton  acceptor  (H+)   Bronsted   HCl  +  H2O  ↔H3O+(aq)  +  Cl-­(aq)   NH3  +  H20  ↔NH4+(aq)  +  OH-­(aq)   theory         Arrhenius   An  acid  liberates  hydrogen  ions   A  base  liberates  hydroxyl  ions  (OH-­ theory   (H+)  in  aqueous  solutions   )  in  aqueous  solutions   + -­ HCl  ↔H (aq)  +  Cl (aq)   NaOH  ↔  Na+(aq)  +  OH-­(aq)             Table  2:  illustrates  properties  of  acids  and  bases   Acid     Base   1.  Sour  taste   1.  Bitter  taste   2.  Corrosive   2.  Caustic   3.  have  pH  lower  than  7   3.  Have  pH  greater  than  7   4.  As  pH  decreases  the  acidic  strength   4.  As  pH  increases  the  basic  strength   increases   increases.     Ampholyte   An  ampholyte  is  a  substance  that  can  act  as  a  base  and  as  an  acid     E.g.     HSO4-­     +  H2O     →  H2SO4   +  OH-­       HSO4-­  acts  as  a  base     HSO4-­     +  H2O     →  SO42-­   +  H2O         HSO4-­  acts  as  an  acid     Activity:       1.  With  the  use  of  relevant  Equations  show  that  water  is  an  Ampholyte.     1.1.     H2PO3-­   1.2.     H2O       Conjugate  Acid  base  pairs     .               b2   a2   E.g.     HCl     +  H2O  ↔   H3O+(aq)   +  Cl-­  (aq)     a1               b1     Page  65  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  66  of  78         Activity       1.  Write  down  the  equation  and  identify  conjugate  acid-­base  pairs  using  the  following:   1.1.  H2SO4  dissolved  in  H2O   1.2.  NH3  dissolved  in  H2O     IONIC  STRENGTH  of  Acids  and  Bases     Table  4:  Illustrates  the  difference  between  a  strong  acid  and  a  weak  acid     Strong  Acid   Weak  Acid   1.  Ionises  completely  in  water   1.  Ionises  partially  in  water   2.  Has  a  lower  pH  value   2.  Has  pH  value  closer  to  7   3.  has  bigger  Ka   3.  Has  smaller  Ka   4.  Stronger  electrolytes,  high   4.  Weak  electrolytes,  lower   conductivity   conductivity       Table  5:  Illustrates  the  difference  between  a  strong  base  and  a  weak  base     Strong  bases   Weak  bases   1.  Ionises  completely  in  water   1.  Ionises  partially  in  water   2.  Has  a  pH  value  closer  to  14   2.  Has  pH  value  closer  to  7   3.  has  bigger  Kb   3.  Has  smaller  Kb   4.  Stronger  electrolytes,  high   4.  Weak  electrolytes,  lower   conductivity   conductivity     Indicators   •   An  indicator  is  a  chemical  substance  that  changes  colour  when  the  solution  has  a  specific   pH   •   There  are  three  indicators  that  are  of  concern  i.e.  Methyl  orange,  Phenolphthalein  and   Bromothymol  blue   •   Indicators  are  used  in  titration  (neutralisation  reactions)  to  determine  an  equivalence   point  or  an  end  point.   •   An  equivalence  point  is  a  stage  whereby  an  acid/base  has  completely  reacted  with  an   acid/base.  Therefore,  in  solution  there  is  only  salt,  water  and  an  indicator  available     Table  3:  Illustrates  the  selection  of  a  suitable  indicator     Combination   Indicator   pH  range   Expected  colour   Strong  Acid  +  Weak  base   Methyl  Orange   3,1  –  4,4   Yellow  /  orange   Strong  acid  +  Strong   Bromothymol  blue   6,0  –  7,6     Blue  /  dark  blue   base   Weak  acid  +  strong  base   Phenolphthalein   8,3  –  10   Pink  /  red   Page  66  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  67  of  78           Activity     Which  indicator  would  you  use  if  solutions  of  the  following  acid  and  base  were  titrated   against  one  another?     1.1.   HNO3  and  NaOH           1.2.     CH3COOH  and  Ca(OH)2   1.3.     H2SO4  and  CaCO3     Redox  reactions    In  Grade  11  we  need  to:   •  Determine  the  oxidation  number  from  a  chemical  formula  and  electronegativities   •  Identify  a  reduction  -­  oxidation  reaction  and  apply  the  correct  terminology  to  describe  all  the   processes   •  Describe  oxidation  reduction  reactions  as  involving  electron  transfer   •  Describe  oxidation  -­  reduction  reactions  as  always  involving  changes  in  oxidation  number   •  Balance  redox  reaction  equations  by  using  oxidation  numbers  via  the  ion-­electron  method   •  Explain  the  meaning  of    •  Assign  oxidation  numbers  to  atoms  in  various  molecules  like  H2O,  CH4,   CO2,  H2O2,  HOCℓ  by  using  oxidation  number  guidelines  or  rules   •  Use  rules  of  oxidation  to  assign  oxidation  numbers  to  atoms  in  a  variety  of  molecules  and  ions     Electrochemical  Reactions   Oxidation  and  Reduction:  Oxidation  is:   •  the  loss  of  electrons.   •  an  increase  in  oxidation  state.   Reduction  is:   •  the  gain  of  electrons.   •  a  decrease  in  oxidation  state.   Oxidation  and  reduction  reactions  always  occur  together  and  are  sometimes  called  redox   reactions.  The  substance  that  is  oxidized  is  the  reducing  agent,  and  the  substance  that  is   reduced  is  the  oxidizing  agent     Oxidation  States:  The  oxidation  state  is  a  fictitious  charge  assigned  to  each  atom  in  a   compound.  It  is  calculated  by  assigning  all  bonding  electrons  in  a  compound  to  the  most   electronegative  element.     The  Activity  Series:  The  activity  series  is  a  listing  of  metals  from  those  that  are  easiest  to   oxidize  to  those  that  are  most  difficult  to  oxidize.  Any  half-­reaction  in  the  activity  series  is   spontaneous  when  paired  with  the  reverse  of  a  half-­reaction  below  it  on  the  list.     Corrosion:  Corrosion  is  the  oxidation  of  iron  and  other  metals  by  atmospheric  oxygen.  Corrosion   can  be  prevented  by  keeping  the  metal  dry,  sealing  it  with  a  protective  coating,  or  depositing  a   more  active  metal  onto  the  surface  of  the  metal  to  be  protected.       Let  a  Good  Chemistry  Story  be  told:   Oxidation  and  Reduction:  Definitions   Page  67  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  68  of  78       Consider  the  following  redox  reactions:   1.   4Fe(s)  +  3O2(g)    à2Fe2O3(s)  (rusting  of  iron)     2.   CH4(g)  +  2O2(g)  àCO2(g)  +  2H2O(g)  (combustion  of  methane)       What  do  they  all  have  in  common?     Each  of  these  reactions  involves  one  or  more  elements  gaining  oxygen.  In  the  rusting  of  iron,  iron   gains  oxygen  as  it  turns  into  iron  oxide,  the  familiar  orange  substance  we  call  rust.  In  the   combustion  of  methane,  carbon  gains  oxygen  to  form  carbon  dioxide,  producing  the  brilliant  blue   flame  we  see  on  gas  stoves.  In  each  case,  the  substance  that  gains  oxygen  is  oxidized  in  the   reaction.       One  definition  of  oxidation—though  not  the  most  fundamental  one—is  simply  the  gaining  of   oxygen.   Now  consider  these  same  three  reactions  in  reverse:     1.    2H2O(g)    à2H2(g)  +  O2(g)   2.    2Fe2O3(s)à4Fe(s)  +  3O2(g)       Each  of  these  reactions  involves  loss  of  oxygen.  In  the  first  reaction,  hydrogen  loses  oxygen;;  in   the  second  reaction,  iron  loses  oxygen.     One  definition  of  reduction  is  simply  the  loss  of  oxygen.     Redox  reactions  need  not  involve  oxygen,  however.  Consider,  for  example,  the  similarities   between  the  following  two  reactions:     1.   4Li(s)  +  O2(g)à2Li2O(s)     2.   2Li(s)  +  Cl2(g)    à  2LiCl(s)     In  both  cases,  lithium  (a  metal  with  a  strong  tendency  to  lose  electrons)  reacts  with  an   electronegative  non  metal  (which  has  a  tendency  to  gain  electrons).  In  both  cases,  lithium  atoms   lose  electrons  to  become  positive  ions—lithium  is  oxidized.       Li  àLi+  +  e-­     The  electrons  lost  by  lithium  are  gained  by  the  non  metals,  which  become  negative  ions  the  non   metals  are  reduced.       O2  +  4e-­à2O2-­     Cl2  +  2e-­  à2Cl-­     A  more  fundamental  definition  of  oxidation,  then,  is  simply  the  loss  of  electrons,  and  a  more   fundamental  definition  of  reduction  is  the  gain  of  electrons.     Notice  that  oxidation  and  reduction  must  occur  together.  If  one  substance  loses  electrons   (oxidation),  then  another  substance  must  gain  electrons  (reduction).     The  substance  that  is  oxidized  is  called  the  reducing  agent  because  it  causes  the  reduction  of   the  other  substance.     Page  68  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  69  of  78       Similarly,  the  substance  that  is  reduced  is  called  the  oxidizing  agent  because  it  causes  the   oxidation  of  the  other  substance.  For  example,  consider  our  hydrogen–oxygen  fuel-­cell  reaction.   2H2(g)    +     O2(g)         à   2H2O(g)   Reducing  agent         Oxidizing  agent       In  this  reaction,  hydrogen  is  oxidized,  making  it  the  reducing  agent.  Oxygen  is  reduced,  making  it   the  oxidizing  agent.  Substances  such  as  oxygen,  which  have  a  strong  tendency  to  attract   electrons,  are  good  oxidizing  agents—they  tend  to  cause  the  oxidation  of  other  substances.   Substances  such  as  hydrogen,  which  have  a  strong  tendency  to  give  up  electrons,  are  good   reducing  agents—they  tend  to  cause  the  reduction  of  other  substances.     NB:  Helpful  mnemonics:  OIL  RIG—Oxidation  Is  Loss  (of  electrons);;  Reduction  Is  Gain  (of   electrons).  LEO  the  lion  says  GER—Lose  Electrons  Oxidation;;  Gain  Electrons  Reduction.         Activity       Identifying  Oxidation  and  Reduction     Identify  the  substance  being  oxidized  and  the  substance  being  reduced  in  each  reaction.   (a)     C(s)  +  O2(g)  à  CO2(g)   (b)     2K(s)  +  Cl2(g)  à  2KCl(s)   (c)   2Al(s)  +  3Sn2+(aq)à  2Al3+(aq)  +  3Sn(s)     Oxidation  States     Rules  for  Assigning  Oxidation  States  Examples     •   The  oxidation  state  of  an  atom  in  a  free  element  is  0,  e.g.  Cu  Cl2     •   The  oxidation  state  of  a  monoatomic  ion  is  equal  to  its  charge.  e.g.  Ca2+    +2  ox  state,  Cl-­    -­1   ox  state     •   The  sum  of  the  oxidation  states  of  all  atoms  in:     ü   a  neutral  molecule  or  formula  unit  is  0.  e.g.  H2O  (2xH  ox  state)  +  (1xO  ox  state)  =  0   ü   an  ion  is  equal  to  the  charge  NO3-­  e.g.  (1xN  ox  state)  +  (3xO  ox  state)  =  -­1         In  their  compounds,       •  Group  I  metals  have  an  oxidation  state  of  +1.  e.g.  NaCl  +1  ox  state     •  Group  II  metals  have  an  oxidation  state  of  +2.  e.g.  CaF2  +2  ox  state     In  their  compounds,  non  metals  are  assigned  oxidation  states  according  to  the  hierarchical  table   at  left.  Entries  at  the  top  of  the  table  have  priority  over  entries  at  the  bottom.           Page  69  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  70  of  78       Balancing  Redox  Equations  Using  the  Half-­Reaction  Method     1.  Assign  oxidation  states  to  all  atoms  and  identify  the  substances  being  oxidized  and  reduced.       2.  Separate  the  overall  reaction  into  two  half-­reactions,  one  for  oxidation  and  one  for   reduction.       3.  Balance  each  half-­reaction  with  respect  to  mass  in  the  following  order.     •  Balance  all  elements  other  than  H  and  O.   •  Balance  O  by  adding  H2O.   •  Balance  H  by  adding  H+.     4.  Balance  each  half-­reaction  with  respect  to  charge  by  adding  electrons  to  the  right  side  of   the  oxidation  half-­reaction  and  the  left  side  of  the  reduction  half-­reaction.  (The  sum  of  the   charges  on  both  sides  of  each  equation  should  then  be  equal.)     5.  Make  the  number  of  electrons  in  both  half-­reactions  equal  by  multiplying  one  or  both  half-­ reactions  by  a  small  whole  number.     6.  Add  the  two  half-­reactions  together,  cancelling  electrons  and  other  species  as  necessary.     7.  Verify  that  the  reaction  is  balanced  with  respect  to  both  mass  and  charge.       The  above  rules  work  with  reactions  in  acid  medium.  If  reactions  are  in  basic  solutions  the   rules  are  the  same  except  that  after  adding  H+  to  balance  the  hydrogens,  OH-­  must  he   added  to  neutralise  the  acidic  H+.       Balancing  when  reactions  are  occurring  in  basic  solutions     1.  Follow  the  half-­reaction  method  for  balancing  redox  reactions.     Begin  by  assigning  oxidation  states.   2.  Separate  the  overall  reaction  into  two  half-­reactions   .   3.  Balance  each  half-­reaction  with  respect  to  mass.   •  Balance  all  elements  other  than  H  and  O.   •  Balance  O  by  adding  H2O.   •  Balance  H  by  adding  H+   •  Neutralize  by  adding  OH-­  (Add  the  same  number  of  OH-­  to  each  side  of  the  equation  (to   preserve  mass  balance).   •  Cancel  any  water  molecules  that  occur  on  both  sides  of  a  half  reaction.   4.  Balance  each  half-­reaction  with  respect  to  charge.   5.  Make  the  number  of  electrons  in  both  half  -­  reactions  equal.   6.  Add  the  half-­reactions  together  and  cancel.   7.  Verify  that  the  reaction  is  balanced.     The  Activity  Series:  Predicting  the  spontaneous  nature  of  reactions   Page  70  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  71  of  78       As  we  have  seen,  redox  reactions  depend  on  the  gaining  of  electrons  by  one  substance  and  the   losing  of  electrons  by  another.  Is  there  a  way  to  predict  whether  a  particular  redox  reaction  will   spontaneously  occur?     Mg(s)  +  Cu2+(aq)àMg2+(aq)  +  Cu(s)           We  see  this  as  the  fading  of  blue  (the  colour  of  the  Cu2+ions  in  solution),  the  dissolving  of  the   solid  magnesium,  and  the  appearance  of  solid  copper  on  the  remaining  magnesium  surface.  This   reaction  is  spontaneous—it  occurs  on  its   own  when  Mg(s)  and    Cu2+  come  into  contact.    On  the  other  hand,  if  we  put  Cu(s)  in  a  solution  containing  Mg2+ions,  no  reaction  occurs.     Cu(s)  +  Mg2+  (aq)  à  no  reaction   No  reaction  occurs  because,  as  we  said  previously,  Mg  atoms  have  a  greater  tendency  to  lose   electrons  than  do  Cu  atoms;;  Cu  atoms  will  therefore  not  lose  electrons  to  ions.  Table  16.1  shows   the  activity  series  of  metals.       •   This  table  lists  metals  in  order  of  decreasing  tendency  to  lose  electrons.     •   The  metals  at  the  top  of  the  list  have  the  greatest  tendency  to  lose  electrons—they  are   most  easily  oxidized  and  therefore  the  most  reactive.  The  metals  at  the  bottom  of  the  list   have  the  lowest  tendency  to  lose  electrons—they  are  the  most  difficult  to  oxidize  and   Page  71  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  72  of  78       therefore  the  least  reactive.  It  is  not  a  coincidence  that  the  metals  used  for  jewellery,  such   as  silver  and  gold,  are  near  the  bottom  of  the  list.     •   They  are  among  the  least  reactive  metals  and  therefore  do  not  form  compounds  easily.   Instead,  they  tend  to  remain  as  solid  silver  and  solid  gold  rather  than  being  oxidized  to   silver  and  gold  cations  by  elements  in  the  environment  (such  as  the  oxygen  in  the  air).   •   Each  reaction  in  the  activity  series  is  an  oxidation  half-­reaction.  The  half  reactions  at  the   top  are  most  likely  to  occur  in  the  forward  direction,  and  the  half  reactions  at  the  bottom   are  most  likely  to  occur  in  the  reverse  direction.  Consequently,  if  we  pair  a  half-­reaction   from  the  top  of  the  list  with  the  reverse  of  a  half-­reaction  from  the  bottom  of  the  list,  we  get   a  spontaneous  reaction.  More  specifically,  any  half-­reaction  on  the  list  will  be  spontaneous   when  paired  with  the  reverse  of  any  half-­reaction  below  it.       Activity       Are  the  following  redox  reactions  spontaneous?   (a)   Zn(s)  +  Ni2+(aq)  à  Zn2+(aq)  +  Ni(aq)     (b)   Zn(s)  +  Ca2+(aq)  à  Zn2+(aq)  +  Ca(s)     (c)    Fe(s)  +  Pb2+(aq)  àFe2+(aq)  +  Pb(s)     (d)   Fe(s)  +  Mg2+  (aq)  à  Fe2+  (aq)  +  Mg(s)                                                               Page  72  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  73  of  78       Typical  Examination  Question     QUESTION  1   There  are  four  possible  options  for  each  answer  in  the  following  questions.  Each  question  has  only  ONE   correct  answer.  Choose  the  correct  answer  and  write  only  A,  B,  C  or  D  next  to  the  question  number.   1.1   Which  one  of  the  pairs  below  is  a  conjugated  acid-­base  pair  for  the  following  reaction?       H2SO4(aq)   +   H2O(l)     HSO4–(aq)   +   H3O+(aq)   A   H3O+  and  H2O   B   H2SO4  and  H3O+   C   HSO4–  and  H3O+   D   HSO4–  and  H2O                                                                                                                                                                            (2)     1.2   Which  ONE  of  the  following  equations  represents  an  acid-­base  reaction?   A   H2SO4  +  3H2S  ®  4S  +  4H2O   B   2HCl  +  Na2CO3  ®  2NaCl  +  H2O  +  CO2   C   H2SO4  +  2NaCl  ®  Na2SO4  +  4HCl   D   2HCl  +  FeS  ®  FeCl2  +  H2S                                                                                                                                      (2)           1.3   During  the  final  process  of  gold  extraction  Zn  is  used.  Which  of  the  following  redox   reactions  takes  place?   A   Zn  is  reduced  and  2NaAu(CN)2  is  oxidized.   B   Zn  is  oxidized  and  Zn(CN)2  is  reduced.   C   Zn  is  oxidized  and  2NaAu(CN)2  is  reduced.   D   Zn  is  reduced  and  Zn(CN)2  is  oxidized.                                                                                                  (2)             1.4   Make  use  of  oxidation  numbers  to  determine  which  one  of  the  following  reactions  is  a   redox  reaction.   A   NaCl  +  AgNO3  ®  NaNO3  +  AgCl   B   Mn  +  CuCl2  ®  Cu  +  MnCl2       C   H2SO4  +  2KNO3  ®  K2SO4  +  2HNO3   D   HCl  +  H2O  ®  Cl–  +              H3O+                                                                                                                                                                                                          (2)             1.5   When  an  acid  reacts  with  a  substance,  the  reaction  produces  carbon  dioxide  gas.  The   substance  is  most  likely  a  …   A   base   B   carbonate   C   metal   D        Non-­metal                                                                                                                                                                                  (2)             Page  73  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  74  of  78         1.6   The  following  energy  profile  diagram  represents  the  reaction  W  +  X  ®  Y  +  Z.       Which  one  of  the  following  statements  is  true?   A   DH  =  H3  –  H1   B   DH  =  H1  –  H2   C   The  activation  energy  is  H1  –  H2.   D   The  activation  energy  is  H1  –  H3                                                                                                                        (2)             1.7.  The  following  balanced  equation  describes  the  reaction  for  the  formation  of  ammonia.       N2   +   3H2   ®   2NH3   DH  =  –  47  kJ·mol–1       The  reverse  reaction  …   A   is  endothermic   B   is  exothermic   C   needs  less  energy  to  activate  than  the  forward  reaction   D   has  a  rate  that  is  not  affected  by  temperature.                                                                            (2)      1.8.     Which  of  the  following  is  the  oxidation  number  of  Cl  in  potassium  chlorate  (KClO3)?     A   –1   B   0   C   +5   D   +7                                                                                                                                                                                                                    (2)                                                    [18]                   Page  74  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  75  of  78       QUESTION  2     When  methane  gas  burns  in  oxygen,  the  products  are  carbon  dioxide  and  water.     CH4   +   2O2   ®   CO2   +   2H2O     2.1   Define  bond  length.                                                                                                                                                                                                                  (2)     2.2   Use  the  table  of  average  bond  energies  to  calculate  the  total  energy  needed  to  break  all   the  bonds  in  the  reactant  molecules                                                                                                                                                                (2)         Bond   Energy  (kJ·mol–1)   Bond  length  (pm)     H–H   436   -­     C–H   414   -­     O–H   460   -­     C–C   347   154     C=C   614   134   C≡C    9   120     C=O   799   -­     O=O   499   -­       2.3   Calculate  the  total  energy  released  when  all  the  bonds  in  the  product  molecules  form.                                                                     (2)     2.4   Determine  whether  the  reaction  is  exothermic  or  endothermic  reaction?        (2)                     2.5   Use  the  information  for  different  carbon  bonds  to  describe  the  relationship  between  bond   energy  and  bond  length.                                                                                                                                                                (2)                                                                                                                                                                                                                                                                        [10]     QUESTION  3   In  the  energy  profile  diagram,  the  x-­axis  represents  the  extent  of  the  reaction.  The  y-­axis  represents  the   energy  of  the  reactants  or  products.                             Page  75  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  76  of  78       3.1   Provide  names  for  labels  1  to  4.                                                                                                                                                                    (4)     3.2   Calculate  the  activation  energy  for  the  forward  reaction  shown  on  the  graph                          (2)                   3.3   Calculate  the  overall  enthalpy  of  this  reaction.                                                                                                                          (3)                                                                                                                                                                                                                                  [10]   QUESTION  4     Methane  gas  reacts  with  chlorine  gas  in  the  presence  of  light.  The  following  equation  describes  the   reaction.     CH4   +   Cl2   ®   CH3Cl   +   HCl   DH  =  –99,5  kJ     4.1   Decide  whether  this  reaction  is  endothermic  or  exothermic.                                                                                        (1)       4.2   Explain  how  you  reached  your  decision  in  question  4.1?                                                                                                (2)     4.3   Draw  an  energy  profile  diagram  for  this  reaction.  On  your  diagram,  clearly  indicate  the   reactants  and  products,  the  activation  energy,  the  enthalpy  change  and  the  activated   complex.                                                                                                                                                                                                                                                          (6)   4.4   Describe  how  methane  gas  in  the  atmosphere  negatively  affects  life  on  Earth.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    (2)                                                                            [11]   QUESTION  5     Study  the  equation  2Al  +  6HCl  ®  2AlCl3  +  3H2.     5.1   Copy  the  equation  and  fill  in  the  oxidation  number  of  each  atom  above  the  symbol  of  the   atom.                                                                                                                                                                               (6)     5.2   Write  the  oxidation  half  reaction.                                                                                                                                  (3)     5.3   Write  the  reduction  half  reaction.                                                                                                                                  (3)     5.4   Identify  the  spectator  ion.                                                                                                                                                        (2)     5.5   Write  the  formula  of  the  substance  that  acts  as  the  oxidising  agent.                    (2)                                                                                                                                                                                                                                                                    [16]       QUESTION  6     Consider  the  equation  for  the  reaction  between  zinc  metal  and  a  copper(II)  sulfate  solution.     Zn   +   CuSO4   ®   Cu   +   ZnSO4     6.1   Write  the  equation  for  the  oxidation  half  reaction.                                                                                (2)     6.2   Write  the  equation  of  the  half  reaction  for  the  reducing  agent                                            (2)     6.3   Identify  the  oxidising  agent.                                                                                                                                                    (2)                                                                                                                                                                                                                                                                            [6]           Page  76  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  77  of  78       QUESTION  7     In  the  compound  KMnO4,  the  oxidation  number  of  Mn  is  +7.     7.1   Define  oxidation  number.                                                                                                                                                                      (2)     7.2   Apply  of  the  rules  for  oxidation  numbers  to  prove  that  the  oxidation  number  of  Mn  in   KMnO4  is  +7.                                                                                                                                                                                                              (2)     7.3   Rui  dissolved  20  g  KMnO4  in  300  cm3  of  distilled  water.  Calculate  the  concentration  of  the   solution  that  he  made.                                                                                                                                                                                    (4)                                                                                                                                                                                                                                                              [8]   Question  8:     Consider  the  following  reactions       NH 3 + HCO3- ® NH 4+ + CO32-   8.1  Identify:             8.1.1  the  conjugate  base  of   HCO3- (1)                   8.1.2  a  substance  that  is  an  ampholyte               (1)   8.2  Give  the  complete  balanced  equation  for  the  reaction  between  sulphuric  acid  and  lithium.                             (3)     Consider  the  following  reaction:           4 NH3 + 5O2 ® 4 NO + 6H 2O     8.3  Rewrite  the  equation  and  above  each  element,  write  down  its  oxidation  number.     (4)   8.4  Write  out  the  reduction  half  reaction  for  this  reaction.             (2)                      [11]     QUESTION  9     Michael  dissolves  1,4  g  potassium  hydroxide  (KOH)  in  water.  He  makes  up  the  solution  to  a  final   volume  of  250  cm3.     9.1   Calculate  the  concentration  of  the  KOH  solution  in  units  of  mol•dm–3.                                                          (4)     9.2   An  amount  of  25  cm3  of  Michael’s  KOH  solution  neutralises  30  cm3  of  a  diluted   hydrochloric  acid  solution.  The  balanced  equation  for  the  reaction  is  as  follows.     KOH   +   HCl   ®   KCl   +   H2O     Calculate  the  concentration  of  the  hydrochloric  acid  solution.                                                                                      (4)                                                                                                                                                                                                                                                                                            [8]       Page  77  of  78
Downloaded from hlayiso.com GRADE  11                         Page  78  of  78       QUESTION  10     Jakob  prepares  a  standard  basic  solution  of  sodium  hydroxide  (NaOH).  He  dissolves  12g  NaOH   powder  in  500  cm3of  water.     10.1   Use  the  Lowry-­Brfnsted  theory  to  define  a  base.                                                                                                                          (2)     10.2   Explain  what  a  standard  solution  is.                                                                                                                                                                    (2)     10.3   Name  the  type  of  glassware  that  Jakob  should  use  to  prepare  the  standard  solution.          (2)     10.4   Calculate  the  concentration  of  Jakob’s  NaOH  solution.                                                                                                          (6)                                                                                                                                                                                                                                                                                          [12]   Question  11     11.1     Define  the  acid  using  Lowry-­Bronsted  theory             (2)   11.2   HSO4-­(aq)  acts  as  a  base  and  an  acid   11.2.1   Name  the  underlined  sentence                 (1)   11.2.2.  Write  down  an  ionic  equation  showing  HSO4-­(aq)  acting  as  the  base.       (4)   11.2.3   Indicate  conjugate  acid-­base  pairs  in  question  11.2.2.           (2)   11.3.     Mg(OH)2  is  an  active  ingredient  in  tablets  used  for  indigestion,  and  is  a  STRONG  BASE   11.3.1   What  is  meant  by  the  term  STRONG  BASE               (2)   11.3.2.  50cm3  3  of  gastric  juice  (Hydrochloric  acid)  is  titrated  against  45cm3  of  0,01mol.dm-­Magnesium   chloride  to  neutralise  fully.  Calculate  the  concentration  of  a  Gastric  Juice.       (7)                             [18]             Page  78  of  78

Study this subject

Notes, quizzes and topic questions for Grade 11 Physical Sciences.

More papers and memos for this grade and subject.

More from Grade 11 Physical Sciences

View all