G7501 Fyzikální geochemie Určeno: IV., V. roč., DSP (LS 2/1) 3+2 kreditů Přednáška: pondělí 13:00–14:50 Cvičení: pondělí 15:00–15:50 Anotace: Přednáška navazuje na základní principy, probrané v kurzu Geochemie I a je pokročilým kurzem magisterského studia geologie. Hlavní pozornost je věnována kvantitativnímu posouzení stability geologických systémů (minerálů a hornin, fluid) za podmínek jejich existence v zemské kůře a možnosti jejich přeměn. Značná část je také věnována studiu dynamiky přeměn geologických systémů a možnostem jejich modelování. Úspěšné zvládnutí kurzu umožní posluchačům vlastní aplikaci nejnovějších kvantitativních postupů fyzikální geochemie při řešení diplomových témat. Jedná se o širokou škálu problémů otázek geneze (podmínek T, p a složení) a časového vývoje geologických systémů od vyvřelých hornin až po hodnocení současných změn v atmosféře Země. Požadované předběžné znalosti: Pro úspěšné zvládnutí předmětu jsou nutné znalosti geologických disciplin v rozsahu bakalářského studia geologie, zejména základního kurzu geochemie. Studijní materiály: Přednáška je založena na zahraničních učebních textech a dalších zdrojích, protože není k dispozici moderní text v českém jazyce. Ve velmi omezené míře lze využít starší učebnice: Zeman J.: Základy fyzikální geochemie, SPN Praha, 1990. Geochemie se zejména v posledních letech velmi dynamicky rozvíjí a mnoho údajů v uvedených učebnicích již neodpovídá modernímu pohledu, proto je doporučena návštěva přednášek. Další studijní materiály jsou k dispozici na přednáškách a cvičeních, část je zveřejněna v IS na stránkách daného předmětu. Zkouška: Písemná. Tématický přehled přednášek (vzhledem k nestejnému rozsahu témat budou některé části přesahovat ještě do následující přednáš- ky) 1 13.02.2023 1. Úvod, historie, základní pojmy 2 20.02.2023 2. Principy: První a druhý zákon termodynamiky I 3 27.02.2023 První a druhý zákon termodynamiky I 4 06.03.2023 3. Gibbsova funkce 5 13.03.2023 4. Chemický potenciál roztoků 6 20.03.2023 5. Procesy: Jednosložkové soustavy 7 27.03.2023 6.–8. Vícesložkové soustavy; pevné roztoky 8 03.04.2023 9. Chemicky reaktivní systémy: Rovnováha 10.04.2023 Velikonoce 9 17.04.2023 10.–12. Důležité rovnovážné konstanty; rovnovážná elektrochemie 10 24.04.2023 13. Dynamika: Rychlost geochemických procesů 01.05.2023 Svátek 08.05.2023 Svátek 11 15.05.2023 14. Principy modelování 12 22.05.2023 15. Ideální a reálné systémy, souhrn Podrobný syllabus 1. Úvod: • předmět studia a význam fyzikální geochemie • stručná historie důležitých objevů: Benjamin Thompson, Humphry Davy, Julius Robert Mayer, James Prescot Joule, Hermann Helmholtz, Rudolf Clausius, James Watt, Sadi Carnot, Josiah Willard Gibbs • systém a jeho okolí, typy systémů • teplo, práce, energie • stavové proměnné: extenzivní, intenzivní Principy 2. První a druhý zákon: • vnitřní energie, teplo, objemová práce, první zákon termodynamiky, entalpie, tepelné kapaci- ty • entropie, matematická definice, změny entropie systému, okolí a celkové • standardní stavy pro entalpii a entropii 3. Gibbsova funkce: • odvození Gibbsovy funkce, vztah mezi změnou Gibbsovy funkce a celkovou entropií • závislost G na teplotě a tlaku • vyjadřování složení systémů, závislost G na složení • parciální molární veličiny 4. Chemický potenciál v roztocích: • změny G ideálního plynu, směsi plynů a ideálních roztoků: plynných, kapalných, pevných, chemický potenciál • reálné roztoky, fugacita a aktivita, Raoultův a Henryho zákon • standardní stavy Procesy 5. Jednosložkové soustavy: • skupenství a fáze, fázové přeměny čistých látek, závislost stability na teplotě a tlaku • fázový diagram, pozice fázových hranic • tání, var, sublimace, přeměny v pevném stavu • kritické hodnoty 6. Vícesložkové soustavy I: konstantní složení fází • minimum G vícesložkové soustavy, fázové složení stabilní asociace • fázové diagramy T-X, konstrukce diagramů z termodynamických údajů • vliv těkavých složek na fázové hranice 7. Vícesložkové soustavy II: proměnlivé složení fází • binární diagramy • fázové diagramy fluida – pevné fáze s konstantním složením, eutektikum, peritektikum • fázové diagramy fluida – pevné roztoky • ternární diagramy 8. Pevné roztoky: • ideální a reálné chování, dodatkové funkce, Margulesova rovnice • termodynamické veličiny pevných roztoků • odmíšení pevných fází Chemicky reaktivní systémy 9. Rovnováha: • minimum Gibbsovy funkce, reakční Gibbsova funkce, složení reakční směsi za rovnováhy • závislost rovnováhy na teplotě a tlaku • multifázové multikomponentní rovnováhy 10. Acidobazické rovnováhy: • distribuční diagramy • acidobazické rovnováhy (silné a slabé jedno- a vícesytné kyseliny a zásady, pH) • pufry • měření pH Rovnováhy srážení a rozpouštění: • součin rozpustnosti 11. Komplexotvorné rovnováhy: • konstanty stability komplexů, kombinace rozpouštěcích a komplexotvorných rovnováh • distribuční diagramy 12. Rovnovážná elektrochemie: • Gibbsova funkce tvorby iontů, aktivita elektrolytů, iontová síla roztoků • elektrochemické poločlánky, reakce v článcích a jejich potenciál • koncentrační články • redukční potenciál, oxidačně-redukční (redox) reakce a jejich potenciály • měření Eh Dynamika 13. Rychlost geochemických procesů • reakční kinetika • vztah mezi kinetikou a termodynamikou • difuze, povrchy, mezifází a povrchové reakce • dynamika velkých systémů – rezervoáry a toky Modelování 14. Principy modelování rovnováh a dynamiky • Matematické metody řešení rovnovážných systémů • Řešení v programech: Excel, Mathematica, Geochemist's Workbench • Matematické modelování dynamiky • Řešení v programech: Excel, Mathematica, Madonna 15. Ideální a reálné systémy • vlastnosti ideálního systému • termodynamika jako matematický model ideálního systému • termodynamika jako matematický model reálného systému (systém ideální + oprava) Souhrn • souhrn základních termodynamických vztahů a jejich vzájemné vazby • oblasti použití v jednotlivých typech geochemických systémů