Chemistry and Ecosystem Ecology
Chemistry & Ecosystem Ecology Fundamentals
Introduction to Energy in Ecosystems
Last Unit Focus: Energy movement through ecosystems, conversion between kinetic energy (light, heat, movement) and potential energy (chemical).
Current Unit Focus: Examination of how energy is stored in chemicals and how these chemicals are cycled through an ecosystem.
Biogeochemical Cycles
Atomic Structure and Bonding
Components of an Atom
Protons: Positively charged particles, located in the nucleus.
Neutrons: Neutrally charged particles, located in the nucleus.
Electrons: Negatively charged particles, orbit the nucleus.
Atomic Number: Equals the number of protons.
Mass Number (Atomic Weight): Equals the total number of protons and neutrons.
Electrons and Orbitals
Location: Electrons are found in orbitals around the nucleus.
Orbital Capacity: Each orbital can hold a maximum of 2 electrons.
Electron Shells: Orbitals are grouped into shells.
Filling Rule: Once a shell is full, additional electrons move to the next shell.
Valence Electrons: Electrons in the outermost shell.
Types of Chemical Bonds
Covalent Bonds: Electrons are shared between two atoms.
Examples: Hydrogen (H<em>2), Oxygen (O</em>2), Water (H<em>2O), Methane (CH</em>4).
Polar vs. Nonpolar Covalent Bonds:
Nonpolar Covalent Bond: Electrons are shared equally between atoms (e.g., H2). Atoms have no partial charges.
Polar Covalent Bond: Electrons are shared unequally, leading to partial charges on the atoms (e.g., H2O with extO having a partial negative charge (extextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextext ext { and H having partial positive charges (extextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextext ext{ from oxygen).
Identifying Polarity: A bond is polar if atoms have partial charges.
Polar Cues: Linear molecules like extCO; molecules with a single extH like extHCl; molecules with an extOH at one end like C<em>2H</em>5OH; molecules with an extO or extN at one end like extCH<em>2extO or extNH</em>3. Does it look like water (extH−O−H)?
Nonpolar Cues: Diatomic molecules of the same element (e.g., O2).
Ionic Bonding: Electrons are transferred from one atom to another.
Result: Formation of positively charged ions (+, cations) and negatively charged ions (−, anions).
Bond Type: The attraction between these oppositely charged ions forms an ionic bond (e.g., Na+Cl−).
Electron-Sharing Continuum: Shows the spectrum from nonpolar covalent (equal sharing, no charge) to polar covalent (unequal sharing, partial charges) to ionic (transfer of electrons, full charges).
Properties of Water
Water (H2O) is an essential molecule for life with many unique properties due to its polar nature (oxygen has a extextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextext ext{ charge and hydrogens partial extextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextext ext{ charges).
Cohesion: Water molecules have a high affinity for other water molecules due to hydrogen bonding.
Surface Tension: A measure of how difficult it is to stretch or break the surface of a liquid; high in water due to strong cohesive forces.
Density: Water is unusual because its solid form (ice) is less dense than its liquid form.
Maximum Density: Liquid water is densest at 4extoextC.
Biological Consequence: Ice floats on liquid water, insulating aquatic ecosystems and allowing life to persist underneath during winter.
Solvent Properties: Water is known as the