Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία

Transcript

1 Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία 1 ο Μάθημα ακ. Έτους Γαλάνη Απ. Αγγελική, Χημικός PhD Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό, (Ε.ΔΙ.Π.) Χημείας

2 Πλαίσιο Περιβαλλοντικής Γεωχημείας Η μελέτη των φυσικών διεργασιών, (χημικών, βιολογικών, γεωλογικών) στο φυσικό περιβάλλον και η επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων σε αυτό. Ως ρύπανση ορίζεται η εκούσια ή ακούσια προσθήκη ουσιών στο φυσικό περιβάλλον οι οποίες είναι δυνατόν να προκαλέσουν βλάβες τόσο στο οικοσύστημα όσο και στην ανθρώπινη υγεία. Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας G. NELSON EBY Μετάφραση Νίκος Λυδάκης Σημαντήρης, Δέσποινα Πεντάρη

3 Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία Μεγαλύτερη έμφαση θα δοθεί στις χημικές διεργασίες καθώς και σε εισαγωγικές έννοιες χημείας εφόσον αφενός το μάθημα απευθύνεται σε φοιτητές πρώτου εξαμήνου αφετέρου βασικές έννοιες βιολογίας και γεωλογίας αποτελούν αντικείμενο μελέτης άλλων μαθημάτων.

4 Οτιδήποτε βρίσκεται στη φύση χαρακτηρίζεται ως φυσικό περιβάλλον, (άψυχα υλικά ή έμψυχα) Φυσικό περιβάλλον Ατμόσφαιρα Υδρόσφαιρα Λιθόσφαιρα Βιόσφαιρα

5 Λιθόσφαιρα Έτσι χαρακτηρίζεται ο φλοιός και μέρος του στερεού ανώτερου μανδύα. Χαρακτηριστικό της λιθόσφαιρας είναι η υποδιαίρεσή της με βάση τη μορφολογία της σε διάφορους τύπους όπως ψηλά βουνά, λόφοι, πεδιάδες, νησιά, κλπ. Τα οποία προσφέρουν διαφορετικά φυσικά περιβάλλοντα για την διαβίωση του ανθρώπου. Ατμόσφαιρα Ονομάζεται το στρώμα των αερίων που περιβάλει την γη. Η ατμόσφαιρα ανταλλάσσει ποσότητες θερμότητας και υγρασίας με την γήινη επιφάνεια και η ανταλλαγή αυτή είναι αμφίδρομη y/img0101.html

6 Υδρόσφαιρα Στην υδρόσφαιρα ανήκει το νερό σε όλες του τις μορφές. Η μεγαλύτερη ποσότητα του νερού βρίσκεται στους ωκεανούς, όμως νερό υπάρχει και στην ατμόσφαιρα, (υδρατμοί), στην επιφάνεια της λιθόσφαιρας, (τρεχούμενο νερό), στα ποτάμια και στις λίμνες. Τέλος υπάρχει και στα ανώτερα στρώματα της λιθόσφαιρας με την μορφή υπόγειου νερού.

7 Ως βιόσφαιρα ορίζεται ο χώρος που ζουν αναπτύσσονται και αναπαράγονται όλοι οι ζώντες οργανισμοί του πλανήτη. Η ανάπτυξη των ζωντανών οργανισμών της γης εξαρτάται από τα αέρια της ατμόσφαιρας (κυρίως οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα) το νερό της υδρόσφαιρας και τα θρεπτικά συστατικά της λιθόσφαιρας και άρα εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τις τρεις αβιοτικές σφαίρες 27y/img0101.html

8

9 Στο εσωτερικό της γης υπάρχουν τρεις σφαιρικές ζώνες (γεώσφαιρες) Φλοιός(crust) Εδώ οι βιολογικοί Οργανισμοί 0,5% συνολικής μάζας της γης Μέση d =2,8 g/cm 3 Μανδύας(mantle) 67,1% συνολικής μάζας της γης Μέση d =4,5 g/cm 3 Πυρήνας(core) 32,4% μάζας γης κράματαfe/ni Μέση d =11,0 g/cm3 Στέργιος Σ. Θεοδωρίκας, «Γεωχημεία», 2009

10 Μορφές ύλης Απλά Σώματα Σύνθετα Σώματα Μέταλλα Αμέταλλα Μεταλλοειδή Χημικές Ενώσεις Μείγματα Στοιχείο Μια μορφή της ύλης που αποτελείται από ένα μόνο είδος ατόμων. Ένωση Μορφή ύλης που αποτελείται από άτομα δύο ή περισσοτέρων στοιχείων ενωμένων με χημικό τρόπο σε απλή και σταθερή αριθμητική αναλογία.

11 Δύο πιθανά μοντέλα για την ύλη Ένα στο οποίο η ύλη είναι συνεχώς διαιρούμενη σε μικρότερες μονάδες, (συνεχής θεώρηση της ύλης). Ένα στο οποίο υπάρχει όριο μονάδων, (ασυνεχής θεώρηση της ύλης). Σήμερα γνωρίζουμε πως όντως η δομή της ύλης είναι ασυνεχής, (πρώτος ο Δημόκριτος το είχε υποστηρίξει) μόνο που είναι αρκετά πιο περίπλοκη από ότι μπορούσαμε μέχρι και πρόσφατα να φανταστούμε Δεκαετία 60 ανακάλυψη «κουάρκς» μικρών σωματιδίων που απαρτίζουν τα νετρόνια και πρωτόνια ανακάλυψη πληθώρας νέων σωματιδίων

12 ATOMA

13 Σωματίδιο Σύμβολο Μάζα Φορτίο Σε g Σε μονάδες Ατ. βαρών Σε Coulomb Ηλεκτρόνιο e -1 0 e 9, , , Πρωτόνιο p +1 1 H 1, , , Νετρόνιο n 0 1 n 1, , /10/2016

14 Η Εξωτερική στιβάδα του ατόμου έχει μέχρι 8 ηλεκτρόνια

15 Τα ευγενή αέρια έχουν την εξωτερική στιβάδα συμπληρωμένη και παρουσιάζουν σταθερή ηλεκτρονιακή διαμόρφωση 2

16 Τα άτομα προσλαμβάνουν ή αποβάλουν ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε αρνητικά ή θετικά αντίστοιχα ιόντα με σκοπό να αποκτήσουν δομή ευγενούς αερίου

17 Κατιόν Να + Ανιόν Cl -

18 Ιονισμός και Ενέργεια ιονισμού Ιονισμός ονομάζεται η απόσπαση ηλεκτρονίων από ένα άτομο. Μ 0 + (ενέργεια ιονισμού) Μ + + e - Ισχύει πάντα ΕΙ 1 < ΕΙ 2 < ΕΙ 3.

19 Ηλεκτρονιακή συγγένεια Ως ηλεκτρονιακή συγγένεια ορίζεται το ποσό της ενέργειας που εκλύεται κατά την πρόσληψη ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο άτομο για το σχηματισμό αρνητικού ιόντος. Ηλεκτραρνητικότητα Η ηλεκτραρνητικότητα ενός στοιχείου μπορεί να οριστεί ως η δύναμη με την οποία το άτομο του στοιχείου έλκει ηλεκτρόνια σε ένα μόριο.

20 Ατομικά σύμβολα Όνομα στοιχείου Ατομικό Σύμβολο Φυσική κατάσταση Άζωτο Ν Άχρωμο αέριο Άνθρακας Γραφίτης Διαμάντι C Μαύρο μαλακό στερεό Σκληρός άχρωμος κρύσταλλος Αργίλιο Al Αργυρόλευκο μέταλλο Άργυρος Ag Αργυρόλευκο μέταλλο Ασβέστιο Ca Αργυρόλευκο μέταλλο Βάριο Ba Αργυρόλευκο μέταλλο Βρώμιο Br Καστανέρυθρο υγρό Ήλιο He Άχρωμο αέριο Θείο S Κίτρινο στερεό Ιώδιο I Κυανόμαυρο στερεό Κάλιο K Μαλακό αργυρόλευκο μέταλλο Κασσίτερος Sn Αργυρόλευκο μέταλλο Κοβάλτιο Co Αργυρόλευκο μέταλλο Μαγγάνιο Mn Γκριζόλευκο μέταλλο

21 Μαγνήσιο Mg Αργυρόλευκο μέταλλο Μόλυβδος Pb Κυανωπό- λευκό μέταλλο Νάτριο Na Μαλακό αργυρόλευκο μέταλλο Νέο Ne Άχρωμο αέριο Νικέλιο Ni Αργυρόλευκο μέταλλο Οξυγόνο O Άχρωμο αέριο Πυρίτιο Si Γκρίζο στιλπνό στερεό Σίδηρος Fe Αργυρόλευκο μέταλλο Υδράργυρος Hg Αργυρόλευκο λευκό μέταλλο Φθόριο F Άχρωμο αέριο Φώσφορος P Ωχροκίτρινο αέριο Χαλκός Cu Κιτρινωπό λευκό κηρώδες στερεό Χλώριο Cl Κιτρινοπράσινο αέριο Χρυσός Au Μαλακό κίτρινο μέταλλο Χρώμιο Cr Αργυρόλευκο μέταλλο Ψευδάργυρος Zn Κυανωπό λευκό μέταλλο

22 Νουκλίδιο λέμε κάθε ατομικό είδος που χαρακτηρίζεται από δύο αριθμούς, τον ατομικό Ζ και τον μαζικό Α Ατομικός αριθμός Ζ είναι ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα. Αφού σε ένα ουδέτερο άτομο ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων ο ατομικός αριθμός δίνει και τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Μαζικός αριθμός Α είναι ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων, (νουκλεονίων) του πυρήνα. Αν Ν ο αριθμός των νετρονίων του πυρήνα, τότε ισχύει: Ν = Α-Ζ Α Χ Ζ

23 Ισότοπα στοιχεία ΙΣΟΤΟΠΑ - ΙΣΟΒΑΡΗ Νουκλίδια με τον ίδιο ατομικό αριθμό Ζ και διαφορετικό μαζικό Α. Π.χ Cl 17p 18N 17e Cl 17p 20N 17e Τα ισότοπα διαφέρουν στον αριθμό νετρονίων του πυρήνα και άρα στην ατομική μάζα. Έχουν ίδιες χημικές ιδιότητες αφού έχουν ίδιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων. Ισοβαρή στοιχεία Είναι άτομα διαφορετικών στοιχείων με ίδιο μαζικό αριθμό αλλά διαφορετικό ατομικό αριθμό. Διαφέρουν τόσο στις φυσικές όσο και στις χημικές ιδιότητες.

24 Ατομικό βάρος στοιχείου Η κλίμακα ατομικής μάζας βασίζεται στον 12 C. Δίνεται στο σύστημα αυτό στον 12 C η μάζα 12 μονάδων ατομικής μάζας (atomic mass units, amu ή u) Σε μονάδες SI 1 amu = 1,66054 x Kg Όλα τα ισότοπα δίνονται σε σχέση με τον 12 C με τη χρήση φασματοφωτομετρίας μάζας Π.χ. Μάζα 13 C = Μάζα 12 C x 1, = 12 amu x 1, = 13, amu Ως ατομικό βάρος ενός στοιχείου ορίζεται το άθροισμα των μαζών των ξεχωριστών ισοτόπων του ισοσταθμισμένα σύμφωνα με την αφθονία του κάθε ισοτόπου

25 Mole Ατομικά και Μοριακά Βάρη

26 Οι αριθμοί των μορίων ή ιόντων που διαχειρίζεται όποιος παρασκευάζει μια ένωση στη βιομηχανία ή μελετά μια αντίδραση στο εργαστήριο είναι εξαιρετικά μεγάλοι. Για διευκόλυνση χρησιμοποιείται από τους χημικούς η έννοια του mole Mole Το mole είναι η ποσότητα μιας δεδομένης ουσίας που περιέχει τόσες στοιχειώδεις οντότητες (άτομα, μόρια, ιόντα, ηλεκτρόνια, στοιχειώδη φορτία, φωτόνια κ.τ.λ) όσος είναι ο αριθμός των ατόμων που υπάρχουν σε ακριβώς 12 g άνθρακα-12. Ο αριθμός των ατόμων σε δείγμα άνθρακα-12 το οποίο ζυγίζει 12 g ακριβώς λέγεται αριθμός Avogadro, (N A ), και είναι ίσος με 6, (6, ). Δηλαδή ένα mole είναι ποσότητα μιας δεδομένης ουσίας τόση όση περιέχει Ν Α =6,02 x στοιχειώδεις οντότητες (άτομα, μόρια, ιόντα, ηλεκτρόνια, στοιχειώδη φορτία, φωτόνια κ.τ.λ)

27 Από τον ορισμό του mole προσδιορίζεται η σχέση μεταξύ amu και γραμμαρίων 6,022 x amu = 1 g 1 amu = 1,66054 x g

28 Mole ατόμων - Γραμμοάτομο (gr-at) Ως 1 mole ατόμων ορίζεται η ποσότητα ενός στοιχείου η οποία περιέχει 6, άτομα του στοιχείου. Το mole ατόμων έχει μάζα σε γραμμάρια όσο η σχετική ατομική μάζα Αr (ατομικό βάρος) του στοιχείου.

29 Μole μορίων - Γραμμομόριο (mol) Ως 1 mole μορίων ορίζεται η ποσότητα ενός στοιχείου ή μίας μοριακής χημικής ένωσης η οποία περιέχει 6, μόρια του στοιχείου ή της χημικής ένωσης. Όταν αναφερόμαστε σε ιοντικές χημικές ενώσεις το mole της χημικής ένωσης περιέχει : ν 6, θετικά ή αρνητικά ιόντα όπου ν είναι ο συντελεστής αναλογίας του ιόντος στη γραφή του μοριακού τύπου της ένωσης. Το mole μορίων έχει μάζα σε γραμμάρια όση είναι η σχετική μοριακή μάζα Μr (μοριακό βάρος) του στοιχείου ή της χημικής ένωσης.

30 Μole ιόντων - Γραμμοϊόν (gr-ion) Ως 1 mole ιόντων ορίζεται η ποσότητα απλών ή σύνθετων ιόντων η οποία περιέχει 6, ιόντα. Το mole ιόντων έχει μάζα σε γραμμάρια όσο η σχετική ατομική μάζα Αr του στοιχείου (για τα απλά ιόντα) ή η σχετική μοριακή μάζα Μr του σύνθετου ιόντος

31 Μole στοιχειωδών φορτίων (ή ηλεκτρονίων) - Γραμμοϊσοδύναμο ή ισοδύναμο βάρος (gr-eq) Ως 1 mole στοιχειωδών φορτίων ορίζεται η ποσότητα στοιχείου, χημικής ένωσης ή ιόντος που παρέχει 6, στοιχειώδη θετικά ή αρνητικά φορτία κατά τη διάρκεια μίας χημικής μεταβολής. Το mole στοιχειωδών φορτίων ενός στοιχείου ή μίας χημικής ένωσης έχει μάζα σε γραμμάρια όση η σχετική ατομική ή μοριακή μάζα αντίστοιχα, διαιρεμένη με τον αριθμό φορτίων που το άτομο ή το μόριο παρέχει στη συγκεκριμένη χημική μεταβολή (ο αριθμός αυτός δίνεται στον πίνακα που ακολουθεί για μεταθετικές και οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις).

32 Τύπος Αντίδρασης Αντιδρώσα ουσία Αριθμός φορτίων Παραδείγματα Μεταθετικές Οξύ Αριθμός Η HCl =1 (οξέοςβάσεως, καθίζησης) Βάση Αριθμός ΟΗ Ba(OH) 2 =2 Άλας Ολικός αριθμός οξείδωσης αντιδρώντων θετικών ή αρνητικών ιόντων Na 2 HPO 4 για το Η + = 1 για το Na + = 2 για τα PO 4 3- = 3 Οξειδοαναγωγής Οξειδωτικό Μεταβολή Α.Ο. KMnO 4 =5 MnO - 4 Mn 2+ Αναγωγικό Μεταβολή Α.Ο. H 2 S =2 S 2- = S 0

33 Εκφράσεις οι οποίες σχετίζονται άμεσα με το mole Γραμμομοριακός όγκος Vm. Είναι ο όγκος ενός mole μορίων αερίου. Σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης ο γραμμομοριακός όγκος ενός ιδανικού αερίου είναι 22,4 λίτρα. Γραμμομοριακή μάζα M Είναι η μάζα ενός mole μορίων ενός στοιχείου ή μίας χημικής ένωσης η οποία μετριέται στο S.I. σε kg/mole. Ισχύει Μ=Μr/1000 Όπου Μ η γραμμομοριακή μάζα και Μr η σχετική μοριακή μάζα, (το γνωστό μοριακό βάρος) Συγκέντρωση C Ως συγκέντρωση C ενός διαλύματος (Molarity) ορίζονται τα moles διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε όγκο V ενός λίτρου διαλύματος. Η συγκέντρωση συνήθως μετριέται σε mol/l. C = n / V(όπου V o όγκος σε L)