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Chem In News- FINAL NOTES (after midterm)

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Chemistry 1027A/B
Kay Calvin

POST MIDTERM 1 Carbon Dioxide: A Pollutant? • Not in the same category as SO , NOx and x 3 • Inhaled air is about 0.04 % CO 2 • Exhaled air is about 4 % CO 2 • CO  2s produced from burning of fuels and natural decay processes • CO  2s removed from atmosphere by plants during photosynthesis • CO  2s dissolved and released from bodies of water as temperature fluctuates • All part of the “Carbon Cycle” • Concentration of CO  in2the atmosphere is increasing CO2 Concentration Over Time • Data suggests a correlation between the amount of CO  present2and temperature • CO  is known to trap heat 2 • Is the recent temperature increase due to human activity? • We have had periods of high temperature and areas of low temperature  What is the Greenhouse Effect? • Absorption of infrared (IR) radiation by molecules in the atmosphere • Some of these molecules are CO , wat2r vapour and methane, CH 4 • Other molecules absorb other types of radiation • Recall from the diagram: the lengths of radiation absorbed Absorption of  Radiation • Absorbed radiation increases molecular vibrations • Energy of absorbed radiation increases temperature of whatever body absorbed it • As heat always flows from warmer to colder, the absorbed energy is almost  immediately radiated away from the body that absorbed it • Example: if you leave a cup of coffee on the counter, then the heat from the coffee  will float into the air, the cool air does not flow into the cup of coffee  • This is what is happening when Earth absorbs infrared radiation from the sun Natural Greenhouse Effect • Natural Greenhouse Effect keeps Earth’s average temperature at about 15°C. • Without this effect, average temperature would be about −18°C. Why Worry About CO 2 • Amounts of CO  in 2he air have been steadily increasing • Biggest increases in history in the last century • Average temperature has risen by about 0.5°C to 0.7°C • The big question: Is this due to CO ? 2 • Seasonal fluctuat • ions in the amount of CO2 ▯ when plants grow and undergo photosynthesis, plants  are taking in Co ,2thus reducing the CO  in 2he atmosphere Other Greenhouse Gases • CHLOROFLUOROCARBONS (CFCs): Man made compounds which contain  chlorine, fluorine, carbon and sometimes hydrogen • WATER VAPOUR is a greenhouse gas, but there isn’t much we can do about its  presence • RADIATIONAL COOLING: Loss of heat from Earth on clear nights due to an  absence of water vapour in the atmosphere (usually happens when humidity  during the day has been low as well) Efficiency of IR Absorption • Not all gases absorb the same amount of IR radiation • CO 2is the standard for comparison • Focus on CO  an2 CH  as t4e amounts of those gases are rapidly increasing   Sources of Greenhouse Gases  • Burning of fossil fuels; coal, oil, diesel, gasoline and natural gas • All produce large amounts of CO  and 2 O 2 • The concern about increasing CO  stems2from the huge amounts of fossil fuels  being burned • Methane, CH , i4 released into the atmosphere from decaying vegetation  • Another source is the digestive systems of cows and other ruminant animals;  bacteria break down cellulose à methane gas Removal of Co  fr2m the Atmosphere  • Photosynthesis by plants:       Sunlight 6 CO   +  6 H O  à  C H O   +  6 O 2 2 6 12 6 2 • CO 2  Chlorophyll dissolves in water to produce carbonic acid, H CO ; 2 3 extent  depends on water temperature (less soluble at higher  temperatures) Truth and Consequences • What we know forsure: • Earth is getting warmer, most likely due to the increase in CO 2 • Increase in CO  d2e to human activity • Will increase as population increases • Consequences: • Oceans become warmer and release more CO 2 • More ice and snow will melt; increasing sea levels • Tropical diseases become more prevalent • Intensity of storms and weather systems will increase • May be more plant growth, which in turn will use CO 2 Kyoto Conference  • First meeting in 1997 • Greenhouse gas emissions goals set for developed countries • Not all nations are on board • Basic goal is to reduce greenhouse gas emissions Possible Responses to Global Warming  • Decrease dependence on fossil fuels • Alternate sources of energy must be developed • Lifestyle changes • Slow population growth • Plant more trees UV Index  UV Categories UV Index Range Time to Burn extreme 9.0 or higher less than 15 minutes high 7.0 to 8.9 about 20 minutes moderate 4.0 to 6.9 about 30 minutes low less than 4.0 1 hour or more Properties of Ultraviolet Radiation • High energy radiation • Enough to break some chemical bonds • Can also disrupt DNA • A lot of UV radiation never reaches Earth, due to interactions with O  an2 O . 3 • O 3more reactive towards UV light than O . 2 Where is the Ozone? • Ozone “Layer” located in stratosphere • Band of high concentration of O 3 • Not very thick if compressed, but the ozone layer is actually about 15 km thick • Concentration of O  ha3 maintained a STEADY STATE until recently • Concentration maintained by a series of chemical reactions The Chapman Cycle Natural Destruction of Ozone  • H 2  + UV light  à  H   +  OH  • OH is a “free radical” (has an unpaired electron) • Involved with many reactions, some of which convert O  to O 3 2 • O 3can also be destroyed by a series of reactions initiated by N O 2 The Ozone Layer is Disappearing  • Early measurements showed 250 DU at the equator and 320 DU in the Northern  Hemisphere • South Pole measurements started to decline in 1979 • Seasonal variations are expected; greatest decline from September to November­ spring in the Southern Hemisphere  • Overall decline was very unexpected Why CFCs and Why at the Poles? • CFCs are chlorofluorocarbons • Man made compounds found in refrigeration units, air conditioners and aerosol  propellants, among other things • Increased use of CFCs paralleled growth of urban, industrial society • Any leaks of CFCs make their way into the atmosphere • Vertical mixing takes them to the stratosphere ● • Subjected to UV radiation which breaks the C­Cl bond, producing a Cl Destruction of O by3CFCs Destruction of O b3 ClOOCl What happens at the Poles • Cl atoms can destroy 100,000 O  molecules 3 • Cl atoms undergo other reactions to form somewhat more stable compounds in  the stratosphere • Two of these are: ClONO  and2HCl • Ice cloud formation in the dark, cold polar winter triggers the reaction: ClONO  +  2 HCl à HOCl + Cl 2 • The HOCl and Cl  wil2 photodissociate in the spring to produce Cl atoms (one of  the culprits!) What Can we do about the Ozone Hole • Discontinue use of CFCs • Montreal Protocol in 1987 to cut production of CFCs • Production banned by 100 countries by 2000 • But many of these compounds have an atmospheric lifetime of over 100 years • Banning of CFCs has led to smuggling and stockpiling What Will Replace CFCs? • Need for this type of compound is still real • New compounds replace some Cl or Br atoms with H atoms • Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) • All Cl atoms replaced results in hydrofluorocarbons (HFCs) • Some of these compounds act as greenhouse gases Unique Properties of Water • Molecule has a bent shape: • Water is a polar molecule • Water participates in Hydrogen Bonding • Water has a mass of 18 (calculate from masses below name of molecule on  Periodic Table) • Oxygen has two nonbonding pairsà the shape gives the bonds the most room  which non bonding pairs like  • Oxygen is patially negative, the hydrogens are partially positive A Comparison  • Water is a liquid at room temperature • Density of ice is less than that of liquid (ice floats) • A lot of energy is required to melt ice • Water can absorb a lot of heat without a large corresponding temperature change • A lot of energy is required to vaporize liquid water (not responsible for  calculation like Example 11.1) • D=1g/mL • It takes time to make liquid into gas (ie. boiling water on the stove) because it  takes time to break the strong hydrogen bonds  Water Has a High Surface Tension • Surface Tension is the amount of energy required to overcome the attraction for  one another of molecules at the surface of a liquid • Attractive forces are uneven at the surface and cause a contraction of the liquid;  acts like a skin • Surface tension is higher for liquids that have strong intermolecular forces Water is the Universal Solvent • Most water is not “pure” water, but has many substances dissolved in it • Useful for dissolving many different solutes • Easy to dissolve unwanted substances, leading to pollution or contamination • Sodium chloride complex  What is pH? • pH is a measure of acidity (or lack thereof….which we call basicity) • Neutral water has a pH of 7 • If a solution has a pH of less than 7, it is ACIDIC; if it is greater than 7 it is said to  be BASIC • See p. 163 – 164 (no calculations involved) Acid Rain • Neutral water has pH of 7 • Natural rain has a pH of about 5.6, due to dissolved CO 2 • CO  2 H O2 ▯▯ 2CO 3 • H 2O  3 ▯▯ + + HCO 3− • The presence of H  makes a solution acidic • True ACID RAIN has a pH of 4.0 to 4.5 (and maybe even lower!) • If we have a larger amount of hydrogen ion, there is a lower pH  What Causes Acid Rain? • Formed from reactions of NO , SO 2and S2  with wa3er to form the acids HNO ,  2 HNO , 3 SO2 an3 H SO   2 4 • Acidic oxides (SO  anx NO ) arexproduced by human activities • Because these are in the atmosphere, acid rain can fall far from the source of the  oxides. Effects of Acid Rain • “Dead” (no support for marine life) lakes and ponds; most fish die at pH 
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