G5081 Geochemie I Doc. RNDr. Josef Zeman, CSc. Anotace: Přednáška je úvodem do jedné ze základních disciplin věd o Zemi na úrovni bakalářského studia. Geochemie umožňuje kvalitativní a kvantitativní posouzení procesů, které probíhají v jednotlivých geosférách a jejich vzájemné interakce. S rostoucím technologickým pokrokem se prohlubuje vliv lidské činnosti na přirozené přírodní procesy. Kvantitativní přístup ke studiu těchto procesů v geochemii umožňuje odlišovat přirozené změny od změn vyvolaných člověkem. Pro studenty věd o Zemi přináší přednáška základní informace o chemickém složení Země a jeho změnách, pro chemicky a environmentálně orientované studenty je základem pro další prohloubení zaměření ve specializovaných přednáškách magisterského studia. Požadované předběžné znalosti: Pro úspěšné zvládnutí předmětu jsou nutné znalosti v rozsahu základního kurzu ze všeobecné geologie, mineralogie, petrologie a chemie. Zkouška a hodnocení: Hodnocení bude složeno ze tří částí: 1. Písemný test z přednášek 1­6 30 % 2. Zpracování prezentace 30 % 3. Závěrečný písemný test 40 % Testy: První písemný test v trvání 50 minut se bude konat ve cvičení 7. 11. a bude se vztahovat k obsahu přednášek 1­6. Otázky prověří pochopení základních principů geochemie a orientaci v problematice (souvislosti). Druhý písemný test se bude konat vypsaných termínech ve zkouškovém období a bude obsahovat prověření nejdůležitějších principů z přednášek 1­6 a podrobnější test zvládnutí obsahu přednášek 7­12. Prezentace: Každý posluchač si vybere libovolnou problematiku z oblasti geochemie a na základě literárních údajů z poslední doby (1­5 vědeckých sdělení z posledních pěti let) zpracuje krátkou prezentaci. Rozsah prezentace bude 3 strany, ústní prezentace bude v rozsahu do 5 minut a proběhne 19. 12. Zdrojem pro podklady budou časopisy dostupné v rámci Science Direct (renomované mezinárodní časopisy Geochimica et Cosmochimica Acta, Chemical Geology atd.). Hodnocení: A 100­90 % B 90­85 % C 85­80 % D 80­70 % E 70­60 % F < 60 % Pro celkové úspěšné absolvování musí posluchač v jednotlivých částech dosáhnout hodnocení nejméně E. Odkaz na časopisy dostupné na Science Direkt a příklady časopisů, ze kterých je možné čerpat podklady: http://www.sciencedirect.com/science, příklady časopisů: Atmospheric Environment Chemical Geology Geochimica et Cosmochimica Acta Journal of Crystal Growth Water Research Studijní materiály: Přednáška vychází ze zahraničních učebních textů a dalších zdrojů, protože v českém jazyce není k dispozici moderní text. Krauskopf, Konrad B. - Bird, Dennis K. Introduction to geochemistry. 3rd ed. New York : McGraw-Hill, 1995. 647 s. McGraw-Hill international editions: earth science and geology series. ISBN 0-07-035820-6. Drever, James I.: The Geochemistry of Natural Waters. Prentice Hall, 1997. 450 s. ISBN 0-13- 272790-0. Protože se geochemie velmi dynamicky rozvíjí a mnoho údajů v uvedených učebnicích již neodpovídá modernímu pohledu, doporučuje se návštěva přednášek. Podstatná část studijních materiálů (všechny powerpointové prezentace) jsou k dispozici na stránkách předmětu v IS MU. Tématický přehled přednášek ­ podzimní semestr 2006 Vzhledem k nestejnému rozsahu mohou jednotlivá témata přesahovat do předcházejících i následujících přednášek. Pořadí Datum Téma přednášky 1 18. 2. Úvod, původ chemických prvků, kosmochemie 2 25. 2. Geochemie Sluneční soustavy a Země 3 4. 3. Stabilní a nestabilní izotopy, jejich využití v geologii 4 11. 3. Vazby, struktury a povrchy 5 18. 3. Základní principy termodynamiky a dynamiky procesů I 6 25. 3. Základní principy termodynamiky a dynamiky procesů II 7 1. 4. Geochemie atmosféry Kontrolní test 8 8. 4. Geochemie hydrosféry Termín pro ohlášení tématu prezentace 9 15. 4. Zvětrávání, sedimentace a diageneze 10 22. 4. Geochemie metamorfních procesů, Geochemie magmatických procesů 11 29. 4. Organická geochemie 12 6. 5. Geochemie životního prostředí 13 13. 5. Užitá geochemie a zákonné regulace v ochraně prostředí 20. 5. Prezentace Podrobný sylabus: 1. Úvod, původ chemických prvků, kosmochemie ­ Hmota a záření ­ Struktura hmoty ­ Vznik a struktura Vesmíru ­ Vývoj Vesmíru ­ Chemické složení Vesmíru ­ Vývoj hvězd Příklady otázek ­ Z jakých nejmenších částic se skládá hmota, se kterou se běžně setkáváme? ­ Které chemické prvky vznikly po velkém třesku? ­ Kde a jak vznikají chemické prvky? ­ Jaká je charakteristika zastoupení chemických prvků ve Vesmíru v závislosti na atomovém čísle? ­ Co je to nukleosyntéza a jaký je její význam ve vývoji Vesmíru? 2. Geochemie Sluneční soustavy a Země ­ Vznik Sluneční soustavy ­ Stavba Země ­ Složení Země Příklady otázek ­ Jak se liší atmosféra jednotlivých planet Sluneční soustavy a proč? ­ Který prvek převažuje v kont. kůře a jaké je jeho zastoupení v hmotnostních a objemových procentech? ­ Co určuje, že je Země vhodná pro vznik života, na rozdíl od ostatních planet Sluneční soustavy? 3. Stabilní a nestabilní izotopy, jejich využití v geologii ­ Vazebná energie jádra Nestabilní izotopy ­ Rozpad nestabilního a vybuzeného jádra ­ Rychlost rozpadu ­ Geochronologie ­ Kinetika ­ určování dynamiky Stabilní izotopy ­ Vlastnosti důležité pro využití ­ Frakcionace izotopů ­ vyjádření ­ Teplotní závislost ­ Kinetika ­ Geotermometrie ­ Hydrosféra a atmosféra ­ Paleoteploty ­ Hydrotermální systémy ­ Krystalizace magmatu Příklady otázek ­ Co je to radioaktivní rozpad prvků a k čemu se využívá v geologii? ­ Co je to alfa záření a jak se změní prvek při jeho vyzáření? ­ Co to je frakcionace stabilních izotopů, proč k ní dochází a jak se využívá v geologii? ­ Jaký je rozdíl v izotopickém složení kyslíku mezi oceánskou vodou a vodní parou, která vzniká jejím odpařením a proč? ­ Jaký je princip izotopické geotermometrie? 4. Vazby, struktury, povrchy ­ Prvky a periodický systém ­ Vazby a velikosti ­ Základy výstavby struktur ­ Povrchy ­ dvojvrstva ­ Povrchy ­ sorpce ­ Povrchy ­ hustoty e ­ STEM Příklady otázek ­ Jaká je symetrie nejtěsnějšího prostorového uspořádání stejně velkých kulovitých částic? ­ Jaká je symetrie nejtěsnějšího uspořádání kyslíků ABCABC... a jakého typu je pak elementární buňka? ­ Jaké typy dutin vznikají v nejtěsnějším prostorovém uspořádání stejně velkých kulovitých částic a které jsou největší? ­ Proč se chemicky příbuzné prvky Ca a Mg ve strukturách minerálů nezastupují? ­ Co jsou to koloidy a čím je způsobena jejich stabilita? ­ Co je to elektrická dvojvrstva? ­ Co určuje stabilitu koloidních částic a za jakých podmínek dochází k jejich vysrážení? 5. Základní principy termodynamiky a dynamiky procesů I: Principy ­ Principy ­ Základní pojmy ­ První zákon ­ Druhý zákon ­ Třetí zákon ­ Gibbsova funkce ­ Závislost chemického potenciálu na složení Příklady otázek ­ Jaké principy určují průběh procesů v přírodě? ­ Jakými způsoby se může měnit energie systému (energie, minerálů, hornin)? ­ Podle jaké veličiny je možné určit směr průběhu přírodních procesů? ­ Co je to Gibbsova funkce a k čemu slouží? ­ Jak závisí hodnota Gibbsovy funkce na teplotě a tlaku? ­ Které minerály dostávají přednost za vysokých teplot a které za vysokých tlaků a proč? 6. Základní principy termodynamiky a dynamiky procesů II: Stabilita a procesy ­ Fázový diagram ­ Závislost stability fází a teplotě a tlaku ­ Konstrukce fázového diagramu ­ Vícesložkové soustavy s konstantním složením fází ­ Systémy s proměnlivým složením fází ­ Rovnovážné konstanty Příklady otázek ­ Co je to fázový diagram a co z něj můžeme vyčíst? ­ Nakreslete fázový diagram jednosložkové soustavy, vyznačte kritický bod. Jaký je jeho význam? ­ Proč dochází ke snížení bodu tání minerálu při krystalizaci z taveniny, která obsahuje další složky? ­ Co je výsledkem rovnovážné krystalizace taveniny minerálů vytvářejících úplnou izomorfní řadu? 7. Geochemie atmosféry ­ Struktura atmosféry ­ Absorbce Slunečního záření v atmosféře ­ Chemické reakce v atmosféře ­ Složení ­ Cyklus kyslíku, dusíku, uhlíku ­ Klimatické změny Příklady otázek ­ Jaká je struktura atmosféry a jak se jednotlivé vrstvy liší? ­ V jakém pořadí klesá obsah jednotlivých plynů v atmosféře? ­ Jaký je průměrný obsah CO2 v atmosféře a čím je jeho obsah regulován? ­ Co to jsou globální geochemické cykly? ­ Napište rovnici fotosyntézy a uveďte, jaký je její význam pro globální cyklus uhlíku? ­ Proč dochází ke klimatickým změnám? 8. Geochemie hydrosféry ­ Cyklus vody ­ Zdroje ­ Vlastnosti vody ­ Distribuce látek ­ Oxidace a redukce ­ Eh-pH a pe-pH diagramy Příklady otázek ­ Jaké jsou hlavní rezervoáry vody a jaký mají obsah? ­ Jak dochází ke stratifikaci vod? ­ Jmenujte vlastnosti vody důležité z hlediska přírodního prostředí? ­ Co můžeme vyčíst z Eh-pH diagramů? ­ Jaké je typické pH čisté srážkové vody, vody v řekách a vody v oceánu? 9. Zvětrávání ­ Mechanické zvětrávání ­ Chemické zvětrávání ­ Zvětrávání ­ podmínky ­ Půda ­ profily ­ Geochemie půdy ­ Eroze Příklady otázek ­ Jmenujte hlavní typy reakcí zvětrávání? ­ Co a jak určuje rychlost a typ zvětrávání? ­ Jaké jsou hlavní produkty zvětrávání v povrchových podmínkách? ­ Popište typický půdní profil. ­ Jaký je význam jílových minerálů pro vlastnosti půd? ­ Čím je způsobována eroze půd? 10. Geochemie metamorfních procesů a magmatických procesů Metamorfní systémy ­ Rekrystalizace ­ Reakce ­ Podmínky Magmatické systémy ­ Magma ­ Role těkavých složek ­ Rovnováhy krystaly-tavenina ­ Fázové diagramy ­ Krystalizace Příklady otázek ­ Proč dochází k rekrystalizaci minerálů? ­ Co podmiňuje průběh metamorfních reakcí? ­ Jaké jsou hlavní geochemické vlastnosti magmatu? ­ Jaký je vliv vody na krystalizaci minerálů z tavenin? ­ Jak ovlivňuje tlak krystalizaci magmatu? 11. Organická geochemie ­ Struktury a reakce ­ Obecná pravidla ­ Skupiny ­ Pesticidy, herbicidy, PCB, odpady Příklady otázek ­ Jak vznikají přírodní organické látky? ­ Jaké vlastnosti organických látek jsou důležité z hlediska jejich migrace v prostředí? ­ Jak ovlivňuje struktura organických látek jejich reaktivitu? 12. Geochemie životního prostředí ­ Voda, typy polutantů ­ Atmosféra: Anorganické polutanty, organické polutanty, ochuzení stratosférické ozonové vrstvy ­ Fotochemický smog Příklady otázek ­ Jaké jsou základní typy polutantů? ­ Jmenujte hlavní typy polutantů ve vodě? ­ Jaké jsou hlavní atmosférické polutanty? ­ Co je to a jak vzniká fotochemický smog? 13. Užitá geochemie a zákonné regulace v ochraně prostředí ­ Zdroje informací ­ Analýza rizika ­ Hodnocení rizika ­ Látky s nekarcinogenním účinkem ­ Látky s karcinogenním účinkem ­ Identifikace expozičních cest ­ Kvantifikace expozice ­ Kvantifikace rizika Příklady otázek ­ Jaké jsou hlavní regulace týkající se životního prostředí? ­ Jaké jsou principy analýzy rizika? ­ Co jsou to expoziční cesty a jak se určují?