Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία. Διαφάνειες 4 ου Μαθήματος Γαλάνη Απ. Αγγελική, Χημικός Ph.D. Ε.ΔΙ.Π.

Transcript

1 Περιβαλλοντική Χημεία - Γεωχημεία Διαφάνειες 4 ου Μαθήματος Γαλάνη Απ. Αγγελική, Χημικός Ph.D. Ε.ΔΙ.Π.

2 ΝΕΡΟ Δομή και ιδιότητες Η πιο σημαντική ουσία στη γη Χωρίς νερό δεν υπάρχει ζωή

3 Μοναδικές οι ιδιότητες του νερού Ιδιότητα Σύγκριση με άλλες ουσίες Θερμοχωρητικότητα Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να ανέβει η θερμοκρασία τηςουσίαςκατά1 C. (Ειδική θερμοχωρητ. για να ανέβει 1g ουσίας κατά 1 C) Θερμική αγωγιμότητα Η υψηλότερη από όλα τα κοινά υγρά, εκτός της NH 3, και τα στερεά Η υψηλότερη από όλα τα κοινά υγρά, (του Hg ψηλότερη) Αποθηκεύει μεγάλα ποσά θερμότητας τα οποία μεταφέρονται με τα θαλάσσια ρεύματα επηρεάζοντας το κλίμα των περιοχών. Μετριάζει ακραίες θερμικές καταστάσεις σε παράκτιες περιοχές

4 Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης Ονομάζεται η θερμότητα που πρέπει να προστεθεί σε 1g νερού για να περάσει από την υγρή στην αέρια φάση. Είναι μεγάλη (540 cal/g στους 100 C) γιατί πρέπει να σπάσουν όλοι οι δεσμοί υδρογόνου πριν το νερό περάσει στην αέρια φάση. Στη θάλασσα που η εξάτμιση γίνεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία, (20 C π.χ.), τα μόρια αντλούν το απαιτούμενο για την εξάτμισή τους ποσό θερμότητας από τα γειτονικά τους που είναι σε υγρή κατάσταση προκαλώντας ψύξη. Σε αυτές τις θερμοκρασίες απαιτούνται 585 cal/g λόγω του ότι πρέπει να σπάσουν περισσότεροι δ.η από ότι στους 100 C. Έτσι η εξάτμιση από τα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη αφαιρεί τη θερμότητα που συσσωρεύετε λόγω μεγάλης ηλιακής ακτινοβολίας. Στην περίπτωση συμπύκνωσης και υγροποίησης των υδρατμών σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη η θερμότητα αποδίδεται στο περιβάλλον και όταν αυτό γίνει απότομα δημιουργεί αναταραχή στην ατμόσφαιρα, ( θύελλες, τυφώνες) Η υψηλότερ ηαπό όλες τις κοινές ουσίες Ρυθμίζει το ισοζύγιο βροχόπτω σης εξάτμισης

5 Ιδιότητα Λανθάνουσα θερμότητα τήξης Ονομάζεται η ποσότητα της θερμότητας που πρέπει να προστεθεί στον πάγο ώστε να σπάσουν όσοι δεσμοί χρειάζεται για να μετατραπεί σε υγρή φάση. Είναι 80 cal/g και είναι μικρότερη από την αντίστοιχη εξάτμισης γιατί αρκετοί δεσμοί υδρογόνου διατηρούνται στο νερό των χαμηλών θερμοκρασιών Σύγκριση με άλλες ουσίες Η υψηλότερη από όλα τα κοινά υγρά, εκτός της NH 3, και τα περισσότερα στερεά Για το λόγο αυτό τα παγόβουνα που εισέρχονται στην ωκεάνια κυκλοφορία απορροφούν μέχρι να λιώσουν μεγάλα ποσά θερμότητας από τους ωκεανούς

6 Ιδιότητα Σύγκριση με άλλες ουσίες Διαλυτική ικανότητα Επιφανειακή τάση Διαλύει τις περισσότερες ουσίες, (ιδιαίτερα τις ιοντικές ενώσεις) και σε μεγαλύτερη ποσότητα από κάθε άλλο κοινό υγρό Η υψηλότερη από όλα τα κοινά υγρά Λόγω της πολικότητάς του Παίζει σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό σταγονιδίων στην ατμόσφαιρα, και σε όλα τα επιφανειακά φαινόμενα. Έχει μεγάλη βιολογική σημασία γιατί ελέγχει τη φυσιολογία του κυττάρου

7 Ιδιότητα Σύγκριση με άλλες ουσίες Φυσική κατάσταση Η μόνη ουσία που στην επιφάνεια της γης υπάρχει και στις τρεις φάσεις Ιξώδες Σχετικά χαμηλό για υγρό Ιονισμός Δημιουργεί ουδέτερο περιβάλλον και δίνει μικρό αριθμό Η + και ΟΗ - Πολύ μικρός Διευκολύνει τη ροή του νερού επάνω και μέσα στη χέρσο και τη μετακίνηση θαλάσσιων μαζών στον ωκεανό με σκοπό την εξισορρόπηση διαφορών πίεσης, (έτσι δημιουργούνται τα θαλάσσια ρεύματα

8 Ιδιότητα Σύγκριση με άλλες ουσίες Διαφάνεια Ιξώδες Σχετικά υψηλή για το ορατό φως Σχετικά χαμηλό για υγρό Το νερό άρα λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του και ιδιαίτερα της εξαιρετικής του διαλυτικής ικανότητας είναι το πιο σημαντικό υλικό το οποίο καθορίζει τις πιο πολλές διεργασίες στο στερεό φλοιό της γης, (κλίμα, διάβρωση και μεταφορά μα και δημιουργία και συντήρηση της ζωής)

9 Οι ιδιότητες του νερού οφείλονται στη δομή του hecked/media/109568/a-watermolecule-is-made-up-of-twohydrogen-atoms CE%9D%CE%B5%CF%81% CF%8C#mediaviewer/File:H2 O_2D_labelled.svg Στο μόριο του νερού υπάρχουν οκτώ ηλεκτρόνια σθένους τα έξι στο οξυγόνο και από ένα σε κάθε υδρογόνο. Το οξυγόνο και καθένα από τα υδρογόνα έχουν από κοινού ένα ζεύγος ηλεκτρονίων, (δεσμικά ζεύγη) και τα υπόλοιπα δύο ζεύγη βρίσκονται στο οξυγόνο, (μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων ή ασύζευκτα ) Τα ζεύγη αυτά παίρνουν τετραεδρική διαμόρφωση γύρω από το οξυγόνο για να ελαχιστοποιηθούν οι απώσεις μεταξύ τους. Με αποτέλεσμα η γωνία μεταξύ των ζευγών να είναι 109,5. Στο σχήμα φαίνεται μικρότερη γιατί τα μονήρη ζεύγη απαιτούν περισσότερο χώρο γύρω από το οξυγόνο από τα δεσμικά ζεύγη.

10 Τα μόρια του νερού είναι πολικά Τα μόρια του νερού παρουσιάζουν την τάση να συνδέονται μεταξύ τους, (η θετική πλευρά του ενός μορίου με την αρνητική του άλλου και αντίστροφα). Η σύνδεση αυτή γίνεται με το δεσμό υδρογόνου που είναι υπεύθυνος για τις μοναδικές για τη ζωή ιδιότητες του νερού

11 Το νερό είναι δυνατόν να βρίσκεται και στις τρεις φάσεις στην επιφάνεια της γης Στην αέρια φάση το νερό υπάρχει με τη μορφή διακριτών μορίων που κινούνται Στην υγρή είναι μίγμα από συμπλέγματα που ανεξάρτητα κάποια σχηματίζουν εξάπλευρους δακτύλιους, το ένα από (υπάρχουν κάποιοι δεσμοί υδρογόνου) το άλλο, Στη στερεή έχουμε μίγμα εξάπλευρων (δεν δακτύλιων, (λόγω δημιουργίας δεσμών υπάρχουν υδρογόνου έτσι σχηματίζεται μια ανοικτή δομή δεσμοί στην ύπαρξη της οποίας οφείλεται η μικρότερη υδρογόνου) πυκνότητα του πάγου από το νερό

12 Διάλυση ιονικών και πολικών ενώσεων στο νερό

13 Διάλυση μη ιονικών ενώσεων στο νερό Απαραίτητη η ύπαρξη πολικών ομάδων για τη διάλυση μη ιονικών ενώσεων στο νερό Παρουσία πολλών πολικών ομάδων έπεται αυξημένη διαλυτότητα στο νερό

14 Γεωχημικά συστήματα Box models

15 Τα box models αποτελούνται από διάφορα κουτιά, boxes που δείχνουν τις δεξαμενές τις δεξαμενές για μια ουσία, (π.χ. το νερό στον υδρολογικό κύκλο), και την ταχύτητα με την οποία το υλικό μεταφέρεται μεταξύ των δεξαμενών. Βέλη υποδεικνύουν τις ροές μεταξύ των δεξαμενών Για σύστημα σε σταθερή κατάσταση η ολική ποσότητα ουσίας σε κάθε δεξαμενή μένει σταθερή άρα οι ταχύτητες προσθήκης και απομάκρυνσης της ουσίας από αυτή είναι ίσες

16 Ατμόσφαιρα Βροχόπτωση Υδρόσφαιρα Υδροθερμική δραστηριότητα Εξάτμιση Χημική ιζηματογένεση τροφή Αποσάθρωση Αναπνοή/ Φωτοσύνθεση Ηφαιστειακές εκρήξεις Βιόσφαιρα Βιοορυκτογέννεση Λιθόσφαιρα

17 Μοντέλα εισροής -εκροής Εισροή Εκροή F in = QC in F out = QC out F =ροή χημικών φάσεων (μάζα/ χρόνο) Q= παροχή (όγκος/ χρόνο) V = όγκος ταμιευτήρα Ταμιευτήρας Μ = V.C C = συγκέντρωση (μάζα/ όγκο)

18 Σταθερή κατάσταση συστήματος Εισροή Ταμιευτήρας Μ = V.C Εκροή F in = QC in F out = QC out Ένα σύστημα βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση όταν ισχύει F in = F out Αυτό σημαίνει πως η ολική ποσότητα μιας ουσίας θα μένει σταθερή σε κάθε στιγμή

19 Χρόνος παραμονής Ως χρόνος παραμονής, t R ορίζεται το χρονικό διάστημα που κατά μέσο όρο παραμένει μια χημική ουσία σε ένα ταμιευτήρα, (δεξαμενή). t R = Ποσότητα ουσίας στη δεξαμενή Ταχύτητα προσθήκης

20 Υδρολογικός κύκλος Ατμόσφαιρα 0, Kg Κατακρύμνηση Εξάτμιση 0, Kg y -1 0, Kg y -1 Λίμνες και ποτάμια 0, Kg Κατακρύμνηση 3, Kg y -1 Εξάτμιση 3, Kg y -1 Εκφόρτιση ποταμών και υπόγειων 0, Kg y -1 Αρχές Περιβαλλοντικής 24/10/10/2014 Γεωχημείας Αγγελική Απ. Γαλάνη G. NELSON EBY Ωκεανός 13, Kg

21 Παράδειγμα (για το προηγούμενο box model σταθερής κατάστασης) Υπολογίστε το χρόνο παραμονής του νερού στην ατμοσφαιρική δεξαμενή Λύση Το μοντέλο είναι σταθερής κατάστασης άρα η ταχύτητα προσθήκης στη δεξαμενή είναι ίση με την ταχύτητα απομάκρυνσης. Οποιοδήποτε σετ ροών είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί. Αν χρησιμοποιηθεί η ταχύτητα προσθήκης ανά έτος προστίθενται 0, Kg νερού μέσω της εξάτμισης από λίμνες και ποτάμια και 3, Kg νερού μέσω της εξάτμισης από ωκεανούς. Άρα η ολική ταχύτητα προσθήκης θα είναι 4, Kg y -1 νερού t R = Ποσότητα ουσίας στη δεξαμενή = 0, Kg = 0,029 y Ταχύτητα προσθήκης 4, Kg y -1 = 10,6 d

22 Από το προηγούμενο παράδειγμα είναι φανερό πως ο χρόνος παραμονής του υδρατμού στη δεξαμενή της ατμόσφαιρας είναι πολύ μικρός. Αυτό σημαίνει πως στην ατμόσφαιρα οι μεταβολές στην ταχύτητα προσθήκης του νερού, (π.χ. αύξηση της ταχύτητας εξάτμισης λόγω ατμοσφαιρικής θέρμανσης) οδηγούν σε ταχεία αύξηση των υδρατμών και άρα αύξηση των βροχοπτώσεων. Αναφέρεται συχνά σαν επιτάχυνση του υδρολογικού κύκλου λόγω ατμοσφαιρικής ρύπανσης

23 Χρόνος Οι διεργασίες είναι βιολογικές και ταχείες φυσικοχημικές π.χ. ανταλλαγή αερίων. Οι χρονικές κλίμακες είναι από ημέρες ως έτη. Μέσω ανθρωπογενών μεταβολών καταστρέφονται εύκολα, (π.χ. στον C με έκλυση CO 2 ), άρα έχουν περιβαλλοντικό ενδιαφέρον σημαντικός παράγοντας στη χρήση μοντέλων σταθερής κατάστασης Ο πιο ξεκάθαρος διαχωρισμός είναι αυτός μεταξύ βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων κύκλων Βραχυπρόθεσμος κύκλος άνθρακα Θαλάσσια φωτοσύνθεση Μετα- Φορά μέσω ποταμών Φωτοσύνθεση στην ξηρά Ατμόσφαιρα C Βιόκοσμος C Αναπνοή στην ξηρά Ανταλλαγή αερίων Απαέρωση Απόθεση οργανικής ύλης Διάσπαση ριζών ασβεστοποίηση Θαλάσσια αναπνοή Ωκεανός C Έδαφος C (Berner, 1999)

24 Μακροπρόθεσμος κύκλος άνθρακα Στους μακροπρόθεσμους κύκλους C έχουμε κυρίως γεωλογικές διεργασίες και οι χρονικές κλίμακες είναι της τάξεως των εκατοντάδων χιλιάδων μέχρι και εκατομμυρίων ετών Αποσάθρωση ανθρακικού C Ανθρακικός C Διεργασίες ηφαιστειογενείς, μεταμορφωσιγενείς, διαγενετικές απαέρωσης Ταφή ανθράκικού C Ωκεάνιος, Ατμοσφαιρικός, Βιολογικός,Εδαφικός C Ταφή οργανικού C Οργανικός C Αποσάθρωση οργανικού C Διεργασίες ηφαιστειογενείς, μεταμορφωσιγενείς, διαγενετικές απαέρωσης (Berner, 1999)

25 Ερωτήσεις 1. Πώς διαλύονται στο νερό α) Οι πολικές και ιονικές ενώσεις β) Οι μη ιονικές ενώσεις. Περιγράψτε 2. Ποια αναφέρονται στην Περιβαλλοντική Γεωχημεία ως box models; 3. Να συγκρίνεται την τιμή της θερμοχωρητικότητα του νερού με την τιμή της θερμοχωρητικότητας συνηθισμένων άλλων ουσιών και να εξηγήσετε πως αυτή μπορεί να επηρεάσει το κλίμα των παράκτιων περιοχών. 4. Ο χρόνος παραμονής του υδρατμού στη δεξαμενή της ατμόσφαιρας είναι πολύ μικρός. Τι σημαίνει ακριβώς αυτό, τι επίδραση έχει στον υδρολογικό κύκλο και που οφείλεται.

26 Παραδείγματα και ασκήσεις Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας G. NELSON EBY Μετάφραση Νίκος Λυδάκης Σημαντήρης, Δέσποινα Πεντάρη

27 1. Να περιγράψετε τη δομή του νερού και να εξηγήσετε γιατί αυτή είναι υπεύθυνη για πολλές από τις μοναδικές ιδιότητες του νερού, όπως η υψηλή θερμοχωρητικότητα, οι υψηλές λανθάνουσες θερμότητες τήξης και εξάτμισης και η μάλλον αξιοσημείωτη παρατήρηση ότι το στερεό νερό είναι λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό. (20 η ερώτηση 1 ου κεφαλαίου) 2. Όταν φτιάχνουμε παγωτό βάζουμε το δοχείο του μίγματος σε πάγο με αλάτι. Γιατί το κάνουμε αυτό; (21 η ερώτηση 1 ου κεφαλαίου) 3. Τι εννοούμε όταν λέμε ότι ένα σύστημα είναι σε σταθερή κατάσταση; (22 η ερώτηση 1 ου κεφαλαίου) 4. Να διακρίνετε τη διαφορά μεταξύ βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων γεωχημικών κύκλων. Ποιος είναι ο καθοριστικός παράγοντας που χρησιμοποιείται για να γίνει αυτός ο διαχωρισμός. (23 η ερώτηση 1 ου κεφαλαίου)

28 1. Πώς διαλύονται στο νερό α) Οι πολικές ενώσεις και ιονικές ενώσεις β) Μη ιονικές ενώσεις. Περιγράψτε 2. Τι είναι τα box models στην Περιβαλλοντική Γεωχημεία; 3. Να συγκρίνεται τη θερμοχωρητικότητα του νερού με αυτή των άλλων ουσιών και εξηγήστε πως μπορεί να επηρεάσει το κλίμα των παράκτιων περιοχών 4. Ποιο φαινόμενο αναφέρεται ως επιτάχυνση του υδρολογικού κύκλου και που οφείλεται;