Chemia ogólna dla GEOLOGÓW H2O CO2 NaOH + Me Dr hab. Monika Fabiańska

Program kursu Wykład 1 CHEMIA A GEOLOGIA (porównanie metod badawczych obu dziedzin, znaczenie poznania chemii dla zrozumienia procesów środowiskowych na przykładzie rozpuszczania węglanu wapnia; chemia, geologia, ochrona środowiska a technologia)   Wykład 2 Materia (krótki rys zmian poglądów na budowę materii, budowa materii we współczesnym ujęciu, pochodzenie pierwiastków i ich zróżnicowanie, skład pierwiastkowy Ziemi, Wszechświata i biosfery, układ okresowy – grupy główne i poboczne, zmiany własności chemicznych w okresach, izotopy, amorficzność) Wykład 3 Atomy i pierwiastki (Budowa atomu: konfiguracja elektronowa, typy orbitali, przemiany jądrowe. Budowa gwiazd a synteza pierwiastków, plazma. Widmo emisyjne a wzbudzenie, spektroskopia emisyjna. Izotopy i ich zastosowania w geologii)

Program kursu Wykład 4 Związki i reakcje chemiczne (klasyfikacja związków chemicznych, wiązania chemiczne, ogólna charakterystyka i występowanie związków chemicznych istotnych środowiskowo, tlenki, kwasy, zasady i sole, budowa i nazewnictwo, prawo zachowania materii i energii, typy reakcji chemicznych z przykładami)  Wykład 5 Gazy (Właściwości gazów: prawo Boyla, Charlesa i Gay-Lussaca, prawo Avogadro, równanie stanu gazu doskonałego, dyfuzja Atmosfera i jej budowa) Wykład 6 Termodynamika chemiczna (Podstawowe pojęcia: układ i otoczenie, ciepło i praca, zasady termodynamiki, entalpia i entropia. Zasoby energii, dyskusja hipotezy śmierci cieplnej wszechświata. Przemiany fazowe, zjawiska na granicy faz. Zjawiska sorpcji

Program kursu Wykład 8 Woda i roztwory (woda i jej właściwości fizykochemiczne, roztwory, dysocjacja elektrolityczna, pH) Wykład 9 i 10 Rozpuszczanie i krystalizacja (rozpuszczalność i iloczyn rozpuszczalności, krystalizacja, defekty sieci krystalizacyjnej, proces starzenia osadu, hydratacja)   Wykład 11 Reakcje chemiczne. Związki kompleksowe (podział reakcji, kompleksowanie) Wykład 12 Elektrochemia (szereg napięciowy metali, ogniwa galwaniczne, korozja) Wykład 13 i 14 Kinetyka chemiczna (energia aktywacji, rząd reakcji, szybkość reakcji, katalizatory, reakcje odwracalne i nieodwracalne, stała równowagi, wpływ temperatury, kierunek przemiany chemicznej. Zasada Le Chateliera)

Program kursu Wykład 15 Elementy chemii organicznej (Związki organiczne: budowa, występowanie, podstawowe reakcje. Obieg pierwiastka C w przyrodzie) Wykład 16 Elementy geochemii organicznej (Ewolucja materii organicznej w geosferze, powstawanie węgla i ropy naftowej, synteza abiotyczna, hipotezy pochodzenia życia) Wykład 17 Biogeochemia środowiska (Zanieczyszczenia nieorganiczne i organiczne w bio- i geosferze, emisja i migracja zanieczyszczeń. Remediacja) Wykład 18 i 19 Wybrane metody analiz chemicznych (pobór prób i możliwe błędy poboru, analityka klasyczna i instrumentalna, mikroskop elektronowy, ASA, GC-MS)

LITERATURA 1. Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki materia, reakcje. T. 1 i 2. PWN, Warszawa 2009. 2. Szczepanik W., Metody instrumentalne w analizie chemicznej. PWN, Warszawa 2008. 3. Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, red. Z. Galus, PWN, Warszawa 2007. 4. Śliwa A. i in. Obliczenia chemiczne. PWN. Warszawa, 1987. Pozycje dodatkowe 1. Van Loon G.W., Duffy S.J., Chemia środowiska. PWN, Warszawa 2008. 2. Poradnik chemika analityka t. 1 i 2. WNT 1994.

? ? ? ? ? Do czego jest potrzebna GEOLOGOWI znajomość CHEMII? Pytanie 1: Do czego jest potrzebna GEOLOGOWI znajomość CHEMII? ? ? ? ? ?

Proponowane odpowiedzi: MINERAŁY to pierwiastki i związki chemiczne lub ich mieszaniny; SKAŁY to mieszaniny minerałów (czyli pierwiastków i związków chemicznych); Procesy zachodzące w geosferze są wynikiem wła- ściwości fizykochemicznych pierwiastków i związków chemicznych budujących skały i minerały; Znając właściwości substancji chemicznych i rozu- miejąc procesy, którym ulegają możemy zrozumieć procesy zachodzące w geosferze. BO TAK JEST W PROGRAMIE!

Tecticornia pergranulata Spojrzenie Spojrzenie Spojrzenie geologa chemika biologa halit tasaclips.com sas.upenn.edu aob.oxfordjournals.org Tecticornia pergranulata NaCl Sandra Galda

CaCO3 kalcyt Węglan wapnia CO32- Ca2+ wapień ROZPUSZCZANIE photos.igougo.com wapień made-in-china.com ROZPUSZCZANIE

Rozpuszczanie węglanu wapnia - KRAS 1. Woda nasyca się dwutlenkiem węgla CO2 + H2O H2CO3 2. Węglan wapnia reaguje z kwasem węglowym CaCO3 + H2CO3 Ca(HCO3)2 (aq) Fot. M. Fabiańska IRCaCO3 = 4,8 . 10-9 Sól dobrze rozpuszczalna [Ca2+] = 6,9.10-5mol/dm3 166 g Ca(HCO3)2 w 1l 2,72 mg Ca2+ w 1 l 6,9 mg CaCO3 w 1 l 2406 x więcej !!! 3. Wodorowęglan wapnia rozkłada się Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2(aq) Zatoka HaLong, Wietnam – erozja morska wikimedia www.eyeclosed.org Fot. Yair Talmar Jaskinia Soreq, Izrael Hibernujące nietoperze, Tajlandia www.travelshots.com Madagaskar, kras www.flatrock.org.nz Siedennbrunnen - źródło krasowe wikimedia Cenote, ryba endemiczna www.fundensity.com Malham Cove, W. Brytania – bruk krasowy wikimedia Cenote Zacaton, Meksyk – erozja morska www.flatrock.org.nz web.me.com Foraminifera Neogloboquadrina Pachyderma Szarotka alpejska Groty Longmen, Chiny www.archives.cyark.org Fot. Dave Houseknech Dichtomosphinctes sp. Tajlandia, wąż jaskiniowy

Odsłonięcie, wydobycie Obieg węgla CO2 (powietrze) fotosynteza Wydarzenie: NAJWIĘKSZA KATASTROFA BIOLOGICZNA W HISTORII ZIEMI spalanie LISTA OFIAR: 90% organizmów morskich 97% foraminifera 99% radiolarie 96% ramienionogi 57% małże 98% ślimaki 98% liliowce 97% amonity 100% trylobity 100% staroraki 60% roślin lądowych 100 % kalamity 100% kordaity 100% buriadowce 70% kręgowców 75% płazy 100% terapsydy 100% sauropsydy 95% anapsydów 100% pelikozaury oddychanie odżywianie sedymentacja rozkład PRZYCZYNA? erozja Odsłonięcie, wydobycie sedymentacja CO2 (w wodzie) osady węglanowe przeobrażenie przeobrażenie Paliwa kopalne Skały węglanowe

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T Węglan wapnia scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T ETAP 1. Akumulacja hydratów metanowych w osa- dach morskich Sprzyja temu wysoka produktywność biosfery i znaczna sedymentacja materii organicznej. ETAP 2. Gwałtowny rozkład hydratów metanowych i uwolnienie metanu do wód i atmosfery Problem: kilka możliwych powodów zjawiska (zwiększona aktywność tektoniczna skorupy ziemskiej, wyższa temperatura wody itp.) ecolectic.org ETAP 3. Utlenianie metanu do ditlenku węgla CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Hydraty z Grzbietu Hydratowego: 97,4 % metanu 2,5 % siarkowodoru 0,1% etan, propan, CO2 ETAP 4. Rozpuszczanie węglanów CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2HCO3-

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T Węglan wapnia scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T ETAP 5. Wzrost temperatury w wyniku wydzielania metanu do atmosfery prowadzi do wytrącenia węglanu wapnia: Ca2+ + 2HCO3- CaCO3+CO2+H2O Reakcja ta spowodowała usunięcie znacznych ilości CO2 ze środowiska i powrót bardziej tlenowych warunków w wodach. DOWODY: SKORODOWANA POWIERZCHNIA MUŁOWCA POD WARSTWĄ CEMENTUJĄCĄ WARSTWA CEMENTUJĄCA Obniżenie wartości 13C/12C w skałach węglanowych

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T Węglan wapnia scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T HIPOTEZA: Cykliczność wielkich wymierań w historii Ziemi jest związana z cyklami akumulacji i odgazo- wania hydratów metanowych.

WNIOSEK 1: ZROZUMIENIE WIELU PROCESÓW ŚRODOWISKOWYCH WYMAGA ZNAJOMOŚCI CHEMII (przynajmniej na poziomie podstawowym!)

??? Pytanie 2: Co łączy CHEMIĘ i GEOLOGIĘ?

Wspólne cechy geologii i chemii 1. Przedmiot badań – świat materialny 2. Podejście naukowe Próba zrozumienia natury przez jej obserwację, rejestrowanie jej cech, zmian w niej zachodzących i przeprowadzanie odpowiednich eksperymentów. 3. Etapy procesu naukowego OBSERWACJA POSTAWIENIE HIPOTEZY EKSPERYMENT OGÓLNE PRAWA

DEFINICJE Obserwacja rejestruje przebieg jednego, pojedynczego wydarzenia. Hipoteza to wstępne wyjaśnienie obserwacji. Eksperyment weryfikuje hipotezę lub teorię. Prawo to podsumowanie wszystkich dotychcza- sowych obserwacji i eksperymentów, czyli mówi co zdarzy się w przyszłości. Teoria do ogólne wyjaśnienie zjawisk naturalnych.

Obserwacja/prawo/hipoteza/teoria Stosuje się do MAŁEJ ILOŚCI zdarzeń Stosuje się do WSZYSTKICH wydarzeń Opisuje CO się dzieje obserwacja prawo Wyjaśnia DLACZEGO coś się zdarzyło hipoteza teoria

= ? Jak to stwierdzić? Pytanie 3: halit Przykład Pytanie 3: halit tasaclips.com = ? Sandra Galda Czy halit i sól kuchenna są różnymi, czy tymi samymi związkami? Jak to stwierdzić?

OBSERWACJA - propozycje Kolor 2. Kształt kryształu (układ krystalograficzny) BIAŁY! wikimedia REGULARNY!

EKSPERYMENT 1. Smak 2. Rysa 3. Twardość 4. Przełam Propozycje geologa

EKSPERYMENT Propozycje chemika 1. Smak 2. Rozpuszczalność 3. Temperatura topnienia 4. Skład chemiczny Propozycje chemika

EKSPERYMENT Propozycje Propozycje geologa chemika 1. Smak 1. Smak 2. Rysa 3. Twardość 4. Przełam 1. Smak 2. Rozpuszczalność 3. Temperatura topnienia 4. Skład chemiczny Propozycje geologa Propozycje chemika

EKSPERYMENT CECHA HALIT Sól kuchenna SMAK Słony RYSA Biała TWARDOŚĆ w skali Mohsa 2-2,5 PRZEŁAM Regularny (trudny do identyfikacji) ROZPUSZCZALNOŚĆ Substancja dobrze rozpuszczalna 35,6 g/100 ml (0°C) 34,2 g/100 ml (0°C) Temp. topnienia 801oC 801oC z Współczynnik załamania światła 1,5442 1,5020 SKŁAD CHEMICZNY Sód i chlor, stos. molowy = 1:1 stos. wagowy = 0,65 stos. molowy = 1:1, ślady jodu i potasu

Przykład ! halit tasaclips.com = Cechy mineralogiczne i chemiczne wskazują, że halit i sól kuchenna to ten sam związek chemiczny – chlorek sodu (NaCl) sas.upenn.edu NaCl

mogą zostać wykorzystane do identyfikacji substancji. P R A W O Cechy mineralogiczne i chemiczne mogą zostać wykorzystane do identyfikacji substancji.

(ALE METODY OBU DZIEDZIN MOGĄ BYĆ ODMIENNE) WNIOSEK 2: GEOLOGIA I CHEMIA stosują PODEJŚCIE NAUKOWE W BADANIACH (ALE METODY OBU DZIEDZIN MOGĄ BYĆ ODMIENNE)

Co to jest chemia? Stan statyczny Stan dynamiczny Podejście praktyka Chemia jest nauką ścisłą poszukującą odpowiedzi na pytania dotyczące materii: „Jaki jest związek pomiędzy budową i składem materii a jej obserwowanymi właściwościami?” „Jak oddziaływania substancji chemicznych między sobą (np. reakcje chemiczne, dysocjacja elektrolityczna itp.) zmieniają cechy materii i dlaczego tak się dzieje?” Jak można wykorzystać cechy substancji chemicznych? Stan statyczny Stan dynamiczny Podejście praktyka

Co to jest geologia? Stan statyczny Stan dynamiczny Podejście praktyka Geologia jest nauką ścisłą poszukującą odpowiedzi na pytania dotyczące Ziemi: „Jaki jest stan obecny Ziemi?” „Jakie czynniki i procesy doprowadziły Ziemię do jej obecnego stanu?” „Jak można wykorzystać zasoby naturalne Ziemi i jakie to wykorzystanie pociąga za sobą skutki?” Stan statyczny Stan dynamiczny Podejście praktyka

Chemia, geologia, technologia nauki ścisłe i nauki stosowane schronienie woda i jedzenie bezpieczeństwo www.crownstudio.co.uk wikimedia www.lithiccastinglab.com sklep.swm.pl Chemia, geologia i technologia narodziły się z konieczności zaspokojenia podstawowych potrzeb człowieka: potrzeby schronienia przed żywiołami; zdobycia wody, jedzenia i przechowania ich; bezpieczeństwa. www.stormhoek.com/

Dalekosiężne skutki działań nauk przyrodniczych POZYTYWNE ESTETYKA EKONOMIA BEZPIECZEŃSTWO WIEDZA

Dalekosiężne skutki działań ODDZIAŁYWANIE NA ŚRODOWISKO nauk przyrodniczych NEGATYWNE Ni2+ Pb2+ Hg1+ ODDZIAŁYWANIE NA ZDROWIE ESTETYKA KRAJOBRAZU ODDZIAŁYWANIE NA ŚRODOWISKO

Witamy w nowym, wspaniałym świecie nauk interdyscyplinarnych Pytanie 4: Czy istnieje podejście wspólne? Spojrzenie Spojrzenie ekologa górnika Spojrzenie Spojrzenie geologa chemika ??? SPOJRZENIE GEOCHEMIKA Witamy w nowym, wspaniałym świecie nauk interdyscyplinarnych

NADSZEGŁ CZAS NAUK INTERDYSCYPLINARNYCH WNIOSEK 3: NADSZEGŁ CZAS NAUK INTERDYSCYPLINARNYCH

CZTERY DOBRE RADY - czyli jak nauczyć się chemii 1. Ucz się na pamięć ważnych informacji: symboli, metod zapisu i wzorów; wartościowości pierwiastków i ich cech; definicji, praw chemicznych i reguł. 2. Powtarzaj regularnie to, czego się nauczyłeś. 3. Pracuj systematycznie – zapomnij o zasadzie ZZZ! 4. Bądź ciekawy – szukaj własnych źródeł informacji i inspiracji

1. Zaliczenie z ćwiczeń laboratoryjnych 2. Referat 3. Zaliczenie egzaminu Fe, czy Fi? Cu, czy Mi? Fot. M. Fabiańska

EGZAMIN 1. Egzamin pisemny 2. Podejść do egzaminu można pod warunkiem uzyskania zaliczenia z ćwiczeń laboratoryjnych i referatu 3. Egzamin obejmuje 3 pytania Pytanie ogólne Zadanie rachunkowe Pytanie przekrojowe (z referatu)

PYTANIA DO PRZEMYŚLENIA Skąd bierze się biały osad na dnie czajnika? Przecież nie było go w wodzie, którą wlałam do środka! Halit można zidentyfikować na podstawie smaku (między innymi). Dlaczego nie można tego zrobić w przy- padku galeny? joyerickson.wordpress.com