Geochemie exogenních procesů 7. Látky ve vodě Osnova •Látky ve vodě –Rozpuštěné vs. Částicové –Komplexy –Koloidy •Vlivy na rozpustnost látek •Chování vybraných skupin prvků •Eh-pH diagramy •Sorpce a kationtová výměna LÁTKY VE VODĚ • Látky ve vodě •Rozpuštěné •Částice (suspenze) Koloidy Převzato z Manahan (2005) Převzato z Manahan (2005) Koloidy •Koagulace koloidu: •vysolení •okyselení D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 24b.png D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 24a.png •Koloidy – částice o rozměru 1–1 000 nm VLIVY NA ROZPUSTNOST • Iontový potenciál Převzato z Ryan (2014) Iontový potenciál L. Bruce Railsback - http://www.gly.uga.edu/railsback/PT.html pH Převzato z Ryan (2014) EH-PH DIAGRAMY • Eh-pH diagramy Převzato z Ryan (2014) Za jakých podmínek bude olovo a měď migrovat? Převzato z Ryan (2014) Převzato z Ryan (2014) Na vstupu do mokřadu má voda Eh 0.9 V a pH 2 Na výstupu je Eh 0.2 V a pH 8,5 Popište s použitím diagramů, k čemu v mokřadu dojde. Jak se situace změní, zintenzivní-li se tlení v mokřadu a Eh klesne o 0,4 V? Převzato z Ryan (2014) SORPCE •Interakce látek ve vodě s pevnou fází Minerální povrchy hrají vyznamnou roli při mnoha komplexních reakcích – vytváří prostředí, katalyzují reakce… Povrchy: hustota e •High resolution STEM image from a grain boundary in gold at the atomic level; white dots can be directly interpreted as atom columns. By FEI Company (2016) D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 27 new.png Skenovací transmisní elektronová mikroskopie (STEM) Grain Boundary in Gold Struktura grafitu (STEM) Struktura grafitu https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Graphite_ambient_STM.jpg Krystalové povrchy •Krystalové povrchy obsahují řadu nedokonalostí a poruch. •Tato místa umožňují růst/rozpouštění, protože mají jinou energii. • Povrch křemíku s viditelnou hranou a dalšími povrchovými defekty Minerální povrchy Energie všech částic (a pozic) na povrchu není stejná – liší se jejich stabilita. Schématická reprezentace povrchu krystalů na úrovni atomových rozměrů: a – atom v hladké ploše povrchu (nejstabilnější pozice), b – adatom (samostatný atom na povrchu – nejméně stabilní), c – volné místo na povrchu, d – kout, e – výklenek ve schodu, f – roh, g – atom ve schodu Schématická prezentace povrchu krystalů na úrovni atomových rozměrů: 1 – hladká plocha, 2 – schod, 3 – kout (s – jednoduchý, d – dvojitý, 4 – mezera nebo volné místo, 5 – připojený atom, 6 – roh Sorpce na minerální povrchy •Obrovský význam v environmentální geologii. –Složení podzemních vod a pohyb kontaminantů. •Velmi rychlé procesy vážící/uvolňující ionty. •I velmi dobře rozpustné látky mohou být ve výsledku v nízké koncentraci, díky sorpcím na povrchy: –Celkový odhad je pak nižší než odhad na základě rozpustnosti/srážení. –Čistě povrchový proces – řádově rychlejší než rozpouštění. –Reverzibilní proces – složité měření rychlosti procesů. •Sorpce –Adsorpce – vazba na povrch. –Absorpce – vstup do struktury absorbentu. Appelo & Postma (2005) Kationtová výměna •Typ adsorpce, řízen několika faktory: 1.Chemická přitažlivost 2.Elektrostatická přitažlivost 3.Fyzikální přitažlivost (van der Waalsovy síly) •Velká výměna = vysoká výměnná kapacita •Zejména jílové minerály. •Při nízkém pH mají oxyhydroxidy i aniontovou výměnnou vrstvu. Faktory přitažlivost kationtů z roztoku na povrch 1.Náboj na částici – smektit a další jílové minerály mají záporný náboj některých vrstev. 2.Velikost částic – velký povrch vzhledem k objemu minerálu má větší potenciál na sebe vázat. 3.Dodatečná vazebná místa – mezivrstvy, kanály v zeolitech atp. 4.Povrchové tvary – ďolíky a hrany – vhodná místa k vázání, protože zpravidla obsahují volné vazby (kov v oktaedrické pozici je v kontaktu s méně než 6 kyslíky) Izoelektrický bod •V kyselých roztocích se povrchy pokryjí H+ a přitahují anionty. •V alkalických roztocích přitahují kationty (zejm. oxidy, hydroxidy, silikáty). •Izoelektrický bod (IEP) – hodnota pH, při které je náboj povrchu v roztoku pouze s ionty H+ a OH- roven nule. •V přírodních vodách s více ionty je to point of zero charge (PZC). •Je-li pH < než PZC je náboj povrchu kladný a váže anionty. •Je-li pH > než PZC je náboj povrchu záporný a váže kationty. •Jílové minerály adsorbují kationty i za velmi nízkého PH díky náboji mezivrstvy. –V přírodním prostředí (půdy, říční sedimenty) tak dominuje sorpce kationtů nad anionty. •IEP oxidů železa je kolem pH = 7. •náboj povrchu D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 23c.png •pH přechodné •pH kyselé •pH alkalické Převzato z Ryan (2014) Iontová výměna •Vyměnitelné ionty jsou na povrchu částice v elektrické dvojvrstvě: –Komplexy ve vnitřní vrstvě – přímo na povrchu. –Komplexy ve vnější vrstvě – dál od povrchu. D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 21.png •elektrická dvojvrstva •sorpce D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 23b.png Povrchy v roztoku •sorpce D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 23a.png •iony v roztoku D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 23b.png •iontová výměna D:\Vyuka\Prednasky\Geochemie\2006\Podklady\o4 22.png Zdroje •Obrázky pochází z následujících knih: •Appelo, C. A. J., & Postma, D. (2005). Geochemistry, groundwater and pollution : (2nd ed.). Leiden: A. A. Balkema publishers. •Manahan, S. E. (2005). Environmental chemistry. 8th ed. Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 1-56670-633-5. info •Ryan, P. (2014). Environmental and low temperature geochemistry. John Wiley and Sons. 402p. ISBN 978-1-4051-8612-4 (pbk.) •Neozdrojované obrázky jsou použity se svolením doc. Zemana.