ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ

Transcript

1 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Ενότητα 1: Βασικές Έννοιες, Συχνότητα κατανομής των χημικών στοιχείων Χαραλαμπίδης Γεώργιος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Ο φοιτητής με την ολοκλήρωση της 1 ης ενότητας θα πρέπει να γνωρίζει: Τις βασικές έννοιες της γεωχημείας, τις μονάδες μέτρησης και τις μετατροπές μεταξύ τους, το ρόλο και την ουσία του περιοδικού συστήματος, τη συχνότητα κατανομής των χημικών στοιχείων. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας 1 Πρόλογος. Εισαγωγικά Στοιχεία. Βασικές Έννοιες Ορισμοί. Μονάδες μέτρησης. Το Περιοδικό Σύστημα. Κριτήρια ενσωμάτωσης των χημικών στοιχείων σε κρυστάλλους και συχνότητα κατανομής των χημικών στοιχείων. 5

6 ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Πρόλογος. 1/2 Οι γεωεπιστήμες αποτελούν τη βάση όλων των άλλων επιστημών και τεχνικών δραστηριοτήτων (βιοεπιστήμες, ανθρωπιστικές επιστήμες, φυσικομαθηματικές επιστήμες, τεχνικές επιστήμες, οικονομία, νομική, ηθική, αστρονομία) που αφορούν τις πολιτικοκοινωνικές δράσεις του ανθρώπου. 6

7 ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Πρόλογος (Συνέχεια). 2/2 Η Γεωχημεία αποτελεί αναμφισβήτητα έναν κλάδο των γεωλογικών επιστημών, του οποίου όμως οι θεωρητικοί κανόνες διατυπώθηκαν αρχικά από χημικούς. Γενικός προορισμός της Γεωχημείας είναι η ενασχόλησή της με τη μελέτη της χημείας της γης (γαία χημεία). 7

8 Γενική, Αναλυτική και Συνθετική Γεωχημεία 1/2 Γενική Γεωχημεία: Διατυπώνει τις θεμελιώδεις αρχές και θεωρίες του κλάδου. Αναλυτική Γεωχημεία:. Χημικές αναλύσεις ενός γεωλογικού δείγματος, με στόχο τη διαπίστωση της χημικής του σύστασης και την ερμηνεία της συγκέντρωσης, κατανομής και διασποράς των επιμέρους χημικών στοιχείων σ αυτό. 8

9 Γενική, Αναλυτική και Συνθετική Γεωχημεία 2/2 Συνθετική Γεωχημεία: Χρησιμοποιεί τα γεωχημικά δεδομένα σε συνδυασμό με γεωλογικές παρατηρήσεις, τις κλιματικές συνθήκες, τη γεωμορφολογία και την υδρολογία της ευρύτερης περιοχής. 9

10 Περιβαλλοντική Γεωχημεία Μελετά τα διάφορα φαινόμενα ρύπανσης του περιβάλλοντος με χρήση γεωχημικών μεθόδων (ανάλυση βαριών μετάλλων, τοξικών ουσιών κ.α.)

11 Ταξινόμηση της Γεωχημείας Λιθογεωχημεία (Γεωχημεία Πετρωμάτων) Γεωχημεία εδάφους (Βάθος cm) Γεωχημεία ποτάμιων ιζημάτων Υδρογεωχημεία Γεωχημεία αερίων Γεωχημεία βλάστησης (Βιογεωχημεία Γεωβοτανική)

12 Βασικές έννοιες Ορισμοί 1/8 Συνθετική Γεωχημεία:. Χρησιμοποιεί τα γεωχημικά δεδομένα σε συνδυασμό με γεωλογικές παρατηρήσεις, τις κλιματικές συνθήκες, τη γεωμορφολογία και την υδρολογία της ευρύτερης περιοχής. 12

13 Βασικές έννοιες Ορισμοί 2/8 Το μάθημα της Εφαρμοσμένης Γεωχημείας και άρα και της περιβαλλοντικής προαπαιτεί βασικές γνώσεις στη Γενική και Ανόργανη Χημεία, τη Γεωλογία, την Ορυκτολογία και την Πετρολογία. Το πεδίο δράσης της αναλυτικής γεωχημείας εκτείνεται σήμερα από την απλή γενική γεωλογία, τη γένεση και εξέλιξη της γης, την ορυκτολογία, την πετρολογία, την κοιτασματολογία, μέχρι την πρακτική εφαρμογή των μεθόδων εκμετάλλευσης των φυσικών πόρων και τα επίκαιρα προβλήματα της προστασίας του περιβάλλοντος. 13

14 Βασικές έννοιες Ορισμοί 3/8 Οι γεωεπιστήμονες πρέπει να αξιολογούν κριτικά την πανσπερμία των αναλυτικών μεθόδων και οργάνων, αναφορικά με τη χρησιμότητά τους, πάντα κάτω από το πρίσμα της οικονομικότητας, της ταχύτητας, των ορίων ανίχνευσης και της ακρίβειάς τους. Η έννοια της αναλυτικής γεωχημείας, εκτός από τη μεθοδολογία ανάλυσης του γεωλογικού υλικού, πρέπει πάντα να περιλαμβάνει και τη μέριμνα για ερμηνεία και επίλυση γεωεπιστημονικών προβλημάτων. 14

15 Βασικές έννοιες Ορισμοί 4/8 Επειδή για οικονομικούς λόγους, είναι πλέον αδύνατο κάποιος να διαθέτει όλα τα συστήματα ανάλυσης, πρέπει η επιλογή των αναλυτικών συσκευών που προμηθεύεται κάθε εργαστήριο να ανταποκρίνεται και να εστιάζεται απολύτως στις ανάγκες και απαιτήσεις των δειγμάτων που θα αναλύονται. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί επίσης στην αξιολόγηση των γεωχημικών αναλύσεων. 15

16 Βασικές έννοιες Ορισμοί 5/8 Η ραγδαία ανάπτυξη της πληροφορικής με τα αποτελεσματικά λογισμικά προγράμματα και τους πανίσχυρους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, εξασφάλισε τις προϋποθέσεις μιας μαθηματικής-στατιστικής επεξεργασίας των δεδομένων κάθε γεωχημικής ανάλυσης. Είναι προφανές ότι στις γεωεπιστήμες η υποκειμενική έκφραση βρίσκεται ακόμη στο προσκήνιο. 16

17 Βασικές έννοιες Ορισμοί 6/8 Έτσι η ικανότητα σύμφυσης της απλής «γεωλογικής σκέψης» με τη «γεωχημική ερμηνεία» πρέπει σήμερα πλέον να αποτελεί προσόν κάθε γεωλόγου-γεωχημικού, ώστε να είναι σε θέση, με τη χρήση στατιστικών μεθόδων, να αντικειμενοποιεί την εκάστοτε απλή παρατήρηση και ερμηνεία. Η βασική σκέψη της κλασσικής γεωλογίας «με τη σκέψη στο σφυρί» πρέπει να συμπληρωθεί με την έκφραση «με το μυαλό στον αριθμό των αναλύσεων». 17

18 Βασικές έννοιες Ορισμοί 7/8 Ανεξάρτητα από το είδος και τη μορφή του αντιμετωπιζόμενου προβλήματος, η μέθοδος λειτουργίας της αναλυτικής γεωχημείας αποτελείται από τέσσερα στάδια:. o τη δειγματοληψία και προετοιμασία των δειγμάτων o τη χημική ανάλυση των δειγμάτων o τη στατιστική επεξεργασία των αναλύσεων και o την ερμηνεία των αποτελεσμάτων 18

19 Βασικές έννοιες Ορισμοί 8/8 Ειδικότερο αντικείμενό της είναι η λεπτομερής έρευνα και διαπίστωση της εμφάνισης, της συγκέντρωσης, της διασποράς και της κατανομής των χημικών στοιχείων και των ισοτόπων τους στις διάφορες δομικές ενότητες της γης, αλλά και η μελέτη των νόμων και κανόνων που διέπουν την συγκέντρωση και την κινητικότητα των διάφορων χημικών στοιχείων στη γήινη σφαίρα. 19

20 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 1/7 Κύριο χαρακτηριστικό του περιοδικού συστήματος είναι η εμφάνιση μιας περιοδικότητας των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων των στοιχείων. Η «διεύθυνση» της θέσης που καταλαμβάνει κάθε στοιχείο στο περιοδικό σύστημα εξαρτάται από τον Ατομικό Αριθμό Ζ, ο οποίος ισούται με τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα. Γενικά ισχύει η σχέση:. Α = Ζ + Ν. Όπου:. Α = Μαζικός Αριθμός (μάζα ατόμου). Ζ = Ατομικός Αριθμός (αριθμός πρωτονίων του πυρήνα). Ν = Αριθμός Νετρονίων του πυρήνα. 20

21 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 2/7 Το περιοδικό σύστημα είναι μια διάταξη των χημικών στοιχείων σε μορφή πίνακα, ο οποίος αποτελείται από εφτά (7) οριζόντιες σειρές που καλούνται «περίοδοι» και από 18 κάθετες στήλες που ονομάζονται «ομάδες». Διακρίνουμε 8 κύριες (IA VIIIA) και 10 δευτερεύουσες ομάδες (IB VIIIB). Οι κύριες ομάδες χαρακτηρίζονται πάντα από την πλήρωση πρώτα των s και p τροχιακών, ενώ στις δευτερεύουσες παρατηρείται πλήρωση d και f τροχιακών πριν τα s και p στις στιβάδες άνω της Ν. 21

22 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 3/7 Εικόνα 1: Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων (βιβλίο Σ.Γ. Σαββίδης Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: , Σελ. 14) 22

23 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 4/7 Σε κάθε περίοδο προστίθεται μία στιβάδα (K, L, M, N, O, P, Q) ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Κάθε μετατόπιση προς τα δεξιά εντός μιας περιόδου σημαίνει προσθήκη ενός ηλεκτρονίου στην ηλεκτρονική στιβάδα και ταυτόχρονα αλλαγή ομάδας. 23

24 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 5/7 Εικόνα 2 : Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων (βιβλίο Σ.Γ. Σαββίδης Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: , Σελ. 14) 24

25 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 6/7 Αντίστοιχα, κάθε μετατόπιση προς τα κάτω εντός μιας ομάδας, σημαίνει αλλαγή περιόδου και προσθήκη μιας νέας στιβάδας. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων μιας στιβάδας ισούται με 2n 2 (n=1, 2, 3, 4) και συνεπώς μπορεί να φθάσει το μέγιστο αριθμό 2 (Κ), 8 (L), 18 (M) και 32 (Ν). Οι στιβάδες αποτελούνται από υποστιβάδες ή τροχιακά εντός των οποίων κινούνται με μεγάλη πιθανότητα τα ηλεκτρόνια. Υπάρχουν τεσσάρων (4) ειδών τροχιακά (εικόνα): s (έως 2 e-), p (έως 6 e-), d (έως 10 e-) και f (έως 14 e-). 25

26 Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων 7/7 Εικόνα 3: Το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων (βιβλίο Σ.Γ. Σαββίδης Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: , Σελ. 14) 26

27 Διάφορα τροχιακά 1/3 Εικόνα 4 : Διάφορα τροχιακά (βιβλίο Σ.Γ. Σαββίδης Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: , Σελ. 16) 27

28 Διάφορα Τροχιακά 2/3 Εικόνα 5 : Διάφορα τροχιακά (βιβλίο Σ.Γ. Σαββίδης Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: , Σελ. 16) 28

29 Διάφορα Τροχιακά 3/3 Εικόνα 6 : Διάφορα τροχιακά (βιβλίο Σ.Γ. Σαββίδης Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: , Σελ. 16) 29

30 Βασικές θερμοδυναμικές αξίες 1/2 Διάγραμμα 1: Η σχέση της ελεύθερης ενέργειας (ενέργεια Gibbs) (G) με την ενθαλπία (Η) και την εντροπία (S) (Διδάσκων 2015). 30

31 Βασικές θερμοδυναμικές αξίες 2/2 Η : Ενθαλπία. Αποτελεί την συνολική ενέργεια ενός υλικού, προσαυξημένη με την επίδραση της πίεσης και του όγκου. S : Εντροπία. Το μη διαθέσιμο ελεύθερο τμήμα της ενέργειας ενός υλικού. Τ : Θερμοκρασία σε ο Κ G : Ενέργεια του Gibbs. Η ελεύθερη ενθαλπία που παριστάνει το ελεύθερο διαθέσιμο τμήμα της ενέργειας του υλικού. 31

32 Οι τρεις θεμελιώδεις νόμοι της θερμοδυναμικής 1/3 1ος Νόμος: Η αρχή της διατήρησης της ενέργειας. o ΔG =0. 2ος Νόμος: Η αυθόρμητη μετατροπή ενέργειας συμβαίνει μόνο κατά τη μετάβαση από ένα υψηλότερο σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο. 3ος Νόμος: Στο απόλυτο μηδέν η εντροπία είναι πάντα μηδέν ( K = -273 o C ). 32

33 Οι τρεις θεμελιώδεις νόμοι της θερμοδυναμικής 2/3 Για να πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση αυθόρμητα θα πρέπει η ενέργεια των προϊόντων της αντίδρασης να είναι μικρότερη αυτής των αντιδρώντων στοιχείων:. ΔG Αντίδρασης = ΣΔG Προϊόντων - ΣΔG Αντιδρώντων. Το ΔG χαρακτηρίζεται ως «κινητήρια δύναμη» της αντίδρασης, θερμοδυναμικό δυναμικό ή ενέργεια του Gibbs. Η πλέον σταθερή φάση ενός συστήματος έχει το ελάχιστο ΔG, ενώ η πιο ασταθής φάση το μέγιστο ΔG. 33

34 Οι τρεις θεμελιώδεις νόμοι της θερμοδυναμικής 3/3 Είναι προφανές ότι το ΔG εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία. Έτσι, για τον υπολογισμό μιας αντίδρασης σε συνθήκες περιβάλλοντος λαμβάνεται υπόψη το ΔG σε θερμοκρασία 298ο Κ (25ο C). Για την μελέτη όμως μιας αντίδρασης σχηματισμού ορυκτών σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση στην φύση, θα πρέπει οπωσδήποτε να ληφθεί υπόψη η επίδραση της ενθαλπίας και της εντροπίας όλων των αντιδρώντων ουσιών. 34

35 Τέλος Ενότητας