G7501 Fyzikální geochemie Určeno: IV. +V. roč. (ZS 2/1) 3+2 kreditů Přednáška: pondělí 8:00 ­ 9:50 Cvičení: pondělí 10:00 ­ 10:50 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: Bouška J., ed.: Geochemie. Academia, Praha, 1980. 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. Kontrola studia: Ve cvičení jsou pravidelně zadávány krátké úlohy na zvládnutí základních pojmů a principů. Tématický přehled přednášek (vzhledem k nestejnému rozsahu témat budou některé části přesahovat ještě do následující přednášky) 1 21. 9. Úvod, historie, základní pojmy. 28.9. Státní svátek 2 5. 10. Principy: První a druhý zákon termodynamiky I 3 12.10. První a druhý zákon termodynamiky I 19.10. Zahraniční cesta 26.10. Zahraniční cesta 4 2.11. Gibbsova funkce 5 9.11. Chemický potenciál roztoků 6 16.11. Procesy: Jednosložkové soustavy 7 23.11. Vícesložkové soustavy; pevné roztoky 8 30.11. Chemicky reaktivní systémy: Rovnováha 9 7.12. Důležité rovnovážné konstanty; rovnovážná elektrochemie 10 14.12. Dynamika: Rychlost geochemických procesů; principy modelování 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 kapacity * 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, peritekti- kum * 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 rovno- váhy * 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 rovno- váh * 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, oxidačněredukční (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