G5081 Geochemie I Doc. RNDr. Josef Zeman, CSc., Mgr. Eva Geršlová, Ph.D. 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: Závěrečný písemný test (10 otázek). 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 – jarní semestr 2014 Vzhledem k nestejnému rozsahu mohou jednotlivá témata přesahovat do předcházejících i následujících přednášek. Pořadí Datum Téma přednášky Přednášející 1 21. 2. 2014 Úvod, původ chemických prvků, kosmochemie Zeman 2 28. 2. 2014 Geochemie Sluneční soustavy a Země Zeman 3 7. 3. 2014 Nestabilní izotopy, jejich využití v geologii Zeman 4 14. 3. 2014 Stabilní izotopy, jejich využití v geologii Zeman 5 21. 3. 2014 Vazby, struktury a povrchy Zeman 6 28. 3. 2014 Základní principy termodynamiky a dynamiky procesů I Zeman 7 4. 4. 2014 Základní principy termodynamiky a dynamiky procesů II Zeman 8 11. 4. 2014 Geochemie atmosféry Geršlová 9 18. 4. 2014 Geochemie hydrosféry Geršlová 10 25. 4. 2014 Geochemie exogenních procesů Geršlová 11 2. 5. 2014 Geochemie metamorfních procesů a magmatických procesů Geršlová 12 9. 5. 2014 Organická geochemie Geršlová 13 16. 5. 2014 Geochemie prostředí Geršlová 14 23. 5. 2014 Užitá geochemie a zákonné regulace v ochraně prostředí Geršlová 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, na rozdíl od ostatních planet Sluneční soustavy, pro vznik života? 3. Nestabilní izotopy, jejich využití v geologii – Vazebná energie jádra – Rozpad nestabilního a vybuzeného jádra – Rychlost rozpadu – Geochronologie – Kinetika – určování dynamiky 4. Stabilní izotopy, jejich využití v geologii – 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? 5. 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? 6. 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? 7. 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? 8. 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? 9. 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? 10. Geochemie exogenních procesů 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? 11. 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? 12. 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? 13. Geochemie 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? 14. 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?