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

  • Definition: The cyclic movements of major inorganic components through ecosystems.

  • Key Cycles Addressed (Global):

    • Water Cycle: H2OH_2O

    • Nitrogen Cycle: N<em>2N<em>2, NO</em>xNO</em>x, NH3NH_3

    • Carbon Cycle: Organic molecules, CO2CO_2

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 22 electrons.

  • Electron Shells: Orbitals are grouped into shells.

    • First Shell: Maximum of 22 electrons.

    • Additional Shells: Maximum of 88 electrons each.

  • Filling Rule: Once a shell is full, additional electrons move to the next shell.

  • Valence Electrons: Electrons in the outermost shell.

    • Preference: Valence electrons prefer to be in full shells.

    • Options for Unfilled Shells (Stability):

      1. Share Electrons: Forms covalent bonds.

      2. Gain or Lose an Electron: Forms ions.

Types of Chemical Bonds
  • Covalent Bonds: Electrons are shared between two atoms.

    • Examples: Hydrogen (H<em>2H<em>2), Oxygen (O</em>2O</em>2), Water (H<em>2OH<em>2O), Methane (CH</em>4CH</em>4).

    • Polar vs. Nonpolar Covalent Bonds:

      • Nonpolar Covalent Bond: Electrons are shared equally between atoms (e.g., H2H_2). Atoms have no partial charges.

      • Polar Covalent Bond: Electrons are shared unequally, leading to partial charges on the atoms (e.g., H2OH_2O with extOext{O} having a partial negative charge 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from oxygen).

    • Identifying Polarity: A bond is polar if atoms have partial charges.

      • Polar Cues: Linear molecules like extCOext{CO}; molecules with a single extHext{H} like extHClext{HCl}; molecules with an extOHext{OH} at one end like C<em>2H</em>5OHC<em>2H</em>5OH; molecules with an extOext{O} or extNext{N} at one end like extCH<em>2extOext{CH}<em>2 ext{O} or extNH</em>3ext{NH}</em>3. Does it look like water (extHOHext{H-O-H})?

      • Nonpolar Cues: Diatomic molecules of the same element (e.g., O2O_2).

  • 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+ClNa^+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 (H2OH_2O) is an essential molecule for life with many unique properties due to its polar nature (oxygen has a extextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextext{ 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extextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextextext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } ext{ } 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ext{ } ext{ } ext{ } ext{ charges).

  • Cohesion: Water molecules have a high affinity for other water molecules due to hydrogen bonding.

    • Biological Consequence: Allows water to be transported up tall trees against gravity (transpiration pull).

  • 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.

    • Biological Consequence: Enables some insects to walk on water.

  • Density: Water is unusual because its solid form (ice) is less dense than its liquid form.

    • Maximum Density: Liquid water is densest at 4extoextC4^ ext{o} ext{C}.

    • 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