PODSTAWY

CHEMICZNE

NAUK O ZIEMI

Dr hab. Prof. UŚ. Monika Fabiańska
Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego

Fe

2

O

3

MnO

2

C

aC

O

3

WYKŁAD 1:
Geologia a chemia

Program kursu

Wykład 1 Program

2

1. Geologia a chemia – czyli po co

geologowi chemia?

2. Materia i jej właściwości.
3. Układ okresowy pierwiastków

budowa układu, zmiany fizycznych i chemicznych
własności pierwiastków w grupach i okresach,
alotropia

4. Budowa atomu. Pochodzenie

pierwiastków. Izotopy w geologii

5. Związki chemiczne

Klasyfikacja związków chemicznych, Reakcje

chemiczne – rodzaje reakcji i ich stechiometria

Program kursu

Wykład 1 Program

3

5. Gazy

właściwości gazów, gaz doskonały, prawa gazowe

6. Termodynamika chemiczna

układ i otoczenie, ciepło i praca, zasady
termodynamiki, entalpia i entropia. Zasoby energii,
dyskusja hipotezy śmierci cieplnej wszechświata.
Przemiany fazowe, zjawiska na granicy faz. Zjawiska
sorpcji

7. Woda i roztwory

Fizykochemia wody i jej skutki. Roztwory: podział,

właściwości, rola rozpuszczalnika w roztworze,
prawo działania mas. Dysocjacja elektrolityczna:
teorie i reakcje kwasów i zasad, aktywność
protonowa, stała dysocjacji, iloczyn jonowy wody.
pH: pH i aktywność roztworu, współczynnik
aktywności, bufory, hydroliza soli, pH gleb.

Program kursu

Wykład 1 Program

4

8. Rozpuszczanie i krystalizacja

Rozpuszczanie

a roztwarzanie, rozpuszczalność i

iloczyn rozpuszczalności. Transport w roztworze i
zawiesinie, zmiany zasolenia mórz w historii Ziemi,
iloczyn rozpuszczalności a ewaporaty. Efekty
towarzyszące rozpuszczaniu związków jonowych.
Koloidy – podział, budowa miceli, właściwości
koloidów. Właściwości koligatywne roztworów .
Krystalizacja: sieć krystaliczna, układy
krystalograficzne, krystalizacja, defekty sieci
krystalizacyjnej, inkluzje, okluzje, proces starzenia
osadu, Zastosowanie inkluzji w geologii, typy inkluzji

9. Reakcje chemiczne

Reakcje pierwiastków, tlenków, kwasów, zasad i soli

. Reakcje utleniania i redukcji

Program kursu

Wykład 1 Program

5

10. Związki kompleksowe

Reakcje kompleksowania wiązanie koordynacyjne,

Kompleksy metaloorganiczne w przyrodzie , sole
uwodnione jako związki kompleksowe, wybrane
kompleksowe związki wśród minerałów

11. Elektrochemia

Ogniwo galwaniczne, szereg napięciowy, korozja,

elektroliza.

12. Kinetyka chemiczna

Energia aktywacji, rząd reakcji, szybkość reakcji,

katalizatory i kataliza, teoria zderzeń i kompleksu
aktywnego. Równowaga chemiczna: reakcje
odwracalne, stała równowagi, wpływ temperatury,
kierunek przemiany chemicznej. Zasada Le
Chateliera

Program kursu

Wykład 1 Program

6

13. Związki organiczne

budowa, rodzaje, izometria, podstawowe reakcje,

występowanie Obieg pierwiastka C w przyrodzie

14. Podstawy geochemii organicznej

Ewolucja materii organicznej w geosferze,

powstawanie węgla i ropy naftowej, synteza
abiotyczna, hipotezy pochodzenia życia

15. Elementy biogeochemii

Zanieczyszczenia nieorganiczne i organiczne w bio- i

geosferze, emisja i migracja zanieczyszczeń.
Remediacja

16. Zagadnienia praktyczne: pobór prób i

wybrane metody analityczne i
instrumentalne

LITERATURA

Wykład 1 Program

7

1. Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki,

materia, reakcje. T. 1 i 2. PWN, Warszawa 2009.

2. Szczepanik W., Metody instrumentalne w analizie

chemicznej. PWN, Warszawa 2008.

3. Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, red. Z.

Galus, PWN, Warszawa 2007.

4. Śliwa A. i in. Obliczenia chemiczne. PWN. Warszawa,

1987.

Pozycje dodatkowe
1. Van Loon G.W., Duffy S.J., Chemia środowiska. PWN,

Warszawa 2008

.

2. Poradnik chemika analityka t. 1 i 2. WN-T, Warszawa,

1994.

Wykład 1 Geologia a chemia

8

Pytanie
1:

Wykład 1 Geologia a chemia

9

Po co geologowi

znajomość

CHEMII?

?

?

?

?

?

Proponowane odpowiedzi:

Wykład 1 Geologia a chemia

10

Minerały i skały to pierwiastki i związki
chemiczne lub ich mieszaniny;

Procesy zachodzące w geosferze są
wynikiem właściwości fizykochemicznych
pierwiastków i związków chemicznych
budujących skały i minerały;

Znając właściwości substancji
chemicznych i rozumiejąc procesy,
którym ulegają możemy zrozumieć
procesy geologiczne.

BO TAK JEST W

PROGRAMIE!

S K Ł A D

P R O C E N T O W Y

Wykład 1 Geologia a chemia

11

Czyli po co te obliczenia?!

NaC

l

60,7

%

39,3

%

Wykład 1 Geologia a chemia

12

Skład procentowy związku

ZADANIE 1:

Oblicz skład procentowy chlorku
sodu.

ZADANIE 2:

Podaj wzór soli złożonej z 60,7%
sodu i 39% chloru o masie
cząsteczkowej 58,5 u.

NIERE

ALIST

YCZN

E

Wykład 1 Geologia a chemia

13

Skład procentowy związku

W praktyce wynik analizy może
wyglądać następująco:

41,3 % O,

2,1 % Fe

16, 2 % Ca,

0,6 % V

10,0 % Mg,

0,8 % Pb

11,8 % C

0,1 % Cu

15,9 % Si

0,1 % inne

1,1 % Zn

Wykład 1 Geologia a chemia

14

Skład procentowy

związku

100%

100%

100%

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Wykład 1 Geologia a chemia

Skład procentowy

krzemianów

100%

100%

100%

10 20 30 40 50 60

70 80 90

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CaO

MgO

SiO

2

AKERMANIT

AKERMANIT

Ca

2

MgSi

2

O

7

CaO – 40 %
MgO – 20%
SiO

2

- 40%

www.mineralienatlas.de

W Ę G L A N WA P N I A

Wykład 1 Geologia a chemia

16

(jedna substancja:

różne spojrzenia, różne procesy)

17

Spojrzenie geologa Spojrzenie

chemika

Węglan wapnia

made-in-china.com

CaCO

3

CO

3 2 -

Ca

2 +

photos.igougo.co
m

wapie

ń

kalcyt

Wykład 1 Geologia a chemia

ROZPUSZCZANIE

18

CaCO

3

+ H

2

CO

3

Spojrzenie geologa i chemika - KRAS

Ca(HCO

3

)

2

CO

2

+ H

2

O

H

2

CO

3

Ca(HCO

3

)

2 ( a q )

CaCO

3

+ CO

2

+ H

2

O

IR

C a C O

3

= 4,8

.

10

- 9

[Ca

2 +

]

= 6,9

.

10

-

5

mol/dm

3

2,72 mg Ca

2 +

w

1 l

Wykład 1 Geologia a chemia

1. Woda nasyca się dwutlenkiem węgla

2. Węglan wapnia reaguje z kwasem węglowym

3. Wodorowęglan wapnia rozkłada się

S ó l d o b r z e

r o z p u s z c z a l n

a

F

o

t.

M

.

F

a

b

ia

ń

s

k

a

6,9 mg CaCO

3

w

1 l

166 g Ca(HCO

3

)

2

w

1l

2406 x

więcej !!!

19

Wykład 1 Geologia a chemia

Ca(HCO

3

)

2 ( a

q )

CaCO

3

+ CO

2

+ H

2

O

Madagaskar, kras

www.flatrock.org.nz

Malham Cove, W. Brytania – bruk krasowy

wikimedia

Wielka Błekitna Dziura– erozja morska

www.flatrock.org.nz

Siedennbrunnen - źródło krasowe

wikimedia

Cenote, ryba endemiczna

www.fundensity.com

Hibernujące nietoperze, Tajlandia

www.travelshots.com

www.eyeclosed.org

Groty Longmen, Chiny

www.archives.cyark.org

Szarotka alpejska

Fot. Yair Talmar

Jaskinia Soreq, Izrael

web.me.com

Foraminifera Neogloboquadrina Pachyderma

Dichtomosphinctes sp.

Fot. Dave Houseknech

20

CO

2

(powietrze)

CO

2

(powietrze)

o

d

d

y

c

h

a

n

ie

o

d

d

y

c

h

a

n

ie

fo

to

sy

nt

e

za

fo

to

sy

nt

e

za

sedymen

tacja

sedymen

tacja

spa

lan

i

e

spa

lan

i

e

rozkład

rozkład

er

oz

j

a

er

oz

j

a

osady

węglanowe

osady

węglanowe

Skały węglanowe

Skały węglanowe

CO

2

(w wodzie)

CO

2

(w wodzie)

odżyw

iani

e

odżyw

iani

e

przeobrażeni

e

przeobrażeni

e

sedyment

acja

sedyment

acja

Paliwa kopalne

Paliwa kopalne

przeobraże

nie

przeobraże

nie

O

d

s

ło

n

ię

c

i

e

,

w

y

d

o

b

y

c

ie

O

d

s

ło

n

ię

c

i

e

,

w

y

d

o

b

y

c

ie

21

Wykład 1 Geologia a chemia

Spojrzenie geologa i chemika:

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T

Heydari i Hassanzadeh, 2003

Wydarzenie:

NAJWIĘKSZ
A

KATASTROFA
BIOLOGICZNA
W HISTORII
ZIEMI

1.

Upadek meteorytu

2. Wzmożony wulkanizm
3. Zmiany poziomu

morza

4. Powstanie Pangei
5. Emisja H

2

S

(połączona z anoksją)

5

. Kombinacja

PR

ZYC

ZY

NA

?

LISTA OFIAR:

90% organizmów

morskich

-

97% foraminifera

-

99% radiolarie

-

96% ramienionogi

-

57% małże

-

98% ślimaki

-

98% liliowce

-

97% amonity

-

100% trylobity

-

100% staroraki

60% roślin lądowych

-

100 % kalamity

-

100% kordaity

-

100% buriadowce

70% kręgowców

-

75% płazy

-

100% terapsydy

-

100% sauropsydy

-

95% anapsydy

-

100% pelikozaury

22

Wykład 1 Geologia a chemia

Ca

2 +

+

2HCO

3

-

CaCO

3

+ CO

2

+ H

2

O

Spojrzenie geologa i chemika:

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T

ETAP 1. Akumulacja hydratów metanowych w osadach

morskich

Sprzyja temu wysoka produktywność biosfery i znaczna

sedymentacja materii organicznej.

ETAP 2. Gwałtowny rozkład hydratów metanowych i

uwolnienie metanu do wód i atmosfery

Problem

:

kilka możliwych powodów zjawiska

(zwiększona aktywność tektoniczna skorupy
ziemskiej, wyższa temperatura wody itp.

ETAP 3.

Utlenianie metanu do ditlenku węgla

CH

4

+ 2O

2

CO

2

+ 2H

2

O

ETAP 4.

Rozpuszczanie węglanów

Heydari i Hassanzadeh, 2003

ecolectic.org

Hydraty z Grzbietu
Hydratowego:

97,4 % metanu
2,5 % siarkowodoru
0,1% etan, propan, CO

2

23

Wykład 1 Geologia a chemia

Spojrzenie geologa i chemika:

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T

ETAP 5.

Wzrost temperatury w wyniku wydzielania metanu
do atmosfery prowadzi do wytrącenia węglanu
wapnia:

Ca

2 +

+

2HCO

3

-

CaCO

3

+ CO

2

+

H

2

O

Reakcja ta spowodowała usunięcie znacznych ilości CO

2

ze

środowiska i powrót bardziej tlenowych warunków w wodach.

Heydari i Hassanzadeh, 2003

DOWODY:

SKORODOWANA

POWIERZCHNIA

MUŁOWCA POD

WARSTWĄ

CEMENTUJĄCĄ

WARSTWA

CEMENTUJĄCA

Obniżenie
wartości

13

C/

12

C

w skałach
węglanowych

24

Wykład 1 Geologia a chemia

Spojrzenie geologa i chemika:

scenariusz wielkiego wymierania na granicy P/T

Heydari i Hassanzadeh, 2003

HIPOTEZA:

Cykliczność
wielkich wymierań w
historii

Ziemi

jest

związana z cyklami
akumulacji

i

odgazowania
hydratów
metanowych.

25

Wykład 1 Geologia a chemia

WNIOSEK 1:

ZROZUMIENIE WIELU

PROCESÓW

GEOLOGICZNYCH WYMAGA

ZNAJOMOŚCI

CHEMII

(przynajmniej na poziomie podstawowym!)

Pytanie
2:

Wykład 1 Geologia a chemia

26

???

Co

łączy

chemię i

geologię?

27

Wspólne cechy geologii i chemii

Wykład 1 Geologia a chemia

1. Przedmiot badań –

świat materialny

2. Podejście naukowe

Próba zrozumienia natury przez jej
obserwację, rejestrowanie jej cech, zmian
w niej zachodzących i przeprowadzanie
odpowiednich eksperymentów.

3. Etapy procesu naukowego

OBSERWACJA

POSTAWIENIE HIPOTEZY

EKSPERYMENT

OGÓLNE PRAWA

Wykład 1 Geologia a chemia

28

DEFINICJE

Obserwacja

rejestruje

przebieg jednego,

pojedynczego wydarzenia.

Hipoteza

to wstępne wyjaśnienie obserwacji.

Eksperyment

weryfikuje hipotezę lub teorię.

Prawo

to podsumowanie wszystkich

dotychczasowych obserwacji i eksperymentów,
czyli mówi co zdarzy się w przyszłości.

Teoria

do ogólne wyjaśnienie zjawisk

naturalnych.

Pytanie
3:

Wykład 1 Geologia a chemia

29

halit

tasaclips.com

Czy halit i sól
kuchenna to są
różne, czy te
same związki?

Jak to
stwierdzić
?

=

?

Przykład

Sandra Galda

30

OBSERWACJA

- propozycje

Wykład 1 Geologia a chemia

1. Kolor

2. Kształt kryształu (układ
krystalograficzny)

BIAŁY!

wikimedia

REGULARNY!

31

HIPOTEZA

Wykład 1 Geologia a chemia

hali

t

tasaclips.com

=

Hipoteza wymaga

weryfikacji !!

Sandra Galda

32

EKSPERYMENT

Wykład 1 Geologia a chemia

1. Smak
2. Rysa
3. Twardość
4. Przełam

Propozycje

geologa

33

EKSPERYMENT

Wykład 1 Geologia a chemia

1. Smak
2. Rozpuszczalność
3. Temperatura topnienia
4. Skład chemiczny

Propozycje

chemika

34

EKSPERYMENT

Wykład 1 Geologia a chemia

1. Smak

2. Rozpuszczalność

3. Temperatura
topnienia

4. Skład chemiczny

Propozycje

chemika

1. Smak

2. Rysa

3. Twardość

4. Przełam

Propozycje

geologa

35

EKSPERYMENT

Wykład 1 Geologia a chemia

CECHA

HALIT

Sól kuchenna

SMAK

Słony

Słony

RYSA

Biała

Biała

TWARDOŚĆ

w skali Mohsa

2-2,5

2-2,5

PRZEŁAM

Regularny

Regularny

(trudny do identyfikacji)

ROZPUSZCZALNOŚĆ

Substancja dobrze

rozpuszczalna

35,6 g/100 ml (0°C)

Substancja dobrze

rozpuszczalna

34,2 g/100 ml (0°C)

Temp. topnienia

801

o

C

801

o

C

Współczynnik

załamania światła

1,5442

1,502 0

SKŁAD CHEMICZNY

Sód i chlor,

stos. wagowy = 1:1

Sód i chlor,

stos. wagowy = 1:1,

ślady jodu i potasu

Wykład 1 Geologia a chemia

36

hali

t

tasaclips.com

Cechy mineralogiczne

i chemiczne wskazują,

że halit i sól kuchenna

to ten sam związek

chemiczny

– chlorek sodu (NaCl)

=

!

Przykład

A zatem:

NaCl

sas.upenn.edu

Wykład 1 Geologia a chemia

37

C e c h y

m i n e r a l o g i c z n e

i c h e m i c z n e

m o g ą z o s t a ć

w y ko r z y s t a n e d o

i d e n t y fi k a c j i

m i n e r a ł u .

P R A W O

38

Wykład 1 Geologia a chemia

WNIOSEK 2:

GEOLOGIA I CHEMIA stosują

PODEJŚCIE NAUKOWE

W BADANIACH

(ALE METODY OBU DZIEDZIN MOGĄ BYĆ

ODMIENNE)

Co to jest chemia?

Chemia jest nauką ścisłą poszukującą

odpowiedzi na pytania dotyczące materii:

„Jaki jest związek pomiędzy budową i składem

materii a jej obserwowanymi właściwościami?”

„Jak oddziaływania substancji chemicznych

między sobą (np. reakcje chemiczne, dysocjacja

elektrolityczna itp.) zmieniają cechy materii i

dlaczego tak się dzieje?”

Jak można wykorzystać cechy

substancji chemicznych?

39

Stan

statyczny

Stan

dynamiczny

Wykład 1 Geologia a chemia

Podejście

praktyka

40

Co to jest geologia?

Stan

statyczny

Geologia jest nauką ścisłą poszukującą
odpowiedzi na pytania dotyczące Ziemi:

„Jaki jest stan obecny Ziemi?”

„Jakie czynniki i procesy doprowadziły Ziemię

do jej obecnego stanu?”

„Jak można wykorzystać zasoby naturalne

Ziemi i jakie to wykorzystanie pociąga za

sobą skutki?”

Stan

dynamiczny

Podejście

praktyka

Wykład 1 Geologia a chemia

Pochodzenie

Cele

Rezultaty

Wykład 1 Repetytorium

41

Wspólne cechy geologii i chemii

42

Wykład 1 Geologia a chemia

POCZATKI CHEMII

PIERWSZE ZNANE PIERWIASTKI i ZWIĄZKI:

• Cu, Ag, Pb, S (czasy prehistoryczne);
• C (Asyria „ghulu” - węgiel);
• substancje bitumiczne (Sumer, 3500

p.n.e);

• Fe (meteoryty, nóż Tutenchamona, 1400

p.n.e);

• SbS (kosmetyki Tutu, żony pisarza Ani,

1200 p,ne,).

43

Wykład 1 Geologia a chemia

POCZATKI CHEMII

PIERWSZE ŚWIADOMIE WYKORZYSTYWANE
PROCESY CHEMICZNE:

• fermentacja (czasy prehistoryczne);
• piroliza (uzyskiwanie dziegciu, 5600 p.

Ch. strzały w kołczanie Oetzi’ego);

• redukcja rud miedzi do miedzi (Sumer,

3500 p.Ch.);

• uzyskiwanie stopów metali (starożytny

Egipt, Sumer).

44

REZULTATY:

Dalekosiężne skutki działań geologa i

chemika

POZYTYWN
E

WIEDZA

Wykład 1 Geologia a chemia

BEZPIECZEŃST

WO

ESTETYKA

EKONOMIA

45

NEGATYWN
E

Wykład 1 Geologia a chemia

ODDZIAŁYWANIE NA

ŚRODOWISKO

Ni

2 +

Pb

2 +

Pb

2 +

Ni

2 +

Hg

1 +

Hg

1 +

ODDZIAŁYWANIE

NA ZDROWIE

ESTETYKA KRAJOBRAZU

Dalekosiężne skutki działań geologa i

chemika

46

Spojrzenie Spojrzenie

geologa

chemika

Wykład 1 Geologia a chemia

SPOJRZENIE GEOCHEMIKA

Witamy

w nowym,

wspaniałym

świecie

nauk

interdyscyplinarnych

Pytanie
4:

Czy istnieje

podejście wspólne?

Spojrzenie Spojrzenie

ekologa

górnika

?

?

?

47

Wykład 1 Geologia a chemia

WNIOSEK 3:

NADSZEDŁ CZAS NAUK

INTERDYSCYPLINARNYC

H

48

Wykład 1 Geologia a chemia

CZTERY DOBRE RADY

- czyli jak nauczyć się chemii

1. Ucz się na pamięć ważnych informacji:



symboli, metod zapisu i wzorów;



wartościowości pierwiastków i ich cech;



definicji, praw chemicznych i reguł.

2. Powtarzaj regularnie to, czego się nauczyłeś.

3. Pracuj systematycznie – zapomnij o zasadzie
ZZZ!

4. Bądź ciekawy – szukaj własnych źródeł

informacji i inspiracji

Fe, cz

y Fi?

Cu, c

zy

Mi?

ZALICZENIE

Wykład 1 Program

49

1. Zaliczenie ćwiczeń

2. Referat

3. Zaliczenie

egzaminu

E G Z A M I N

Wykład 1 Program

50

1. Egzamin pisemny

2. Podejść do egzaminu można pod

warunkiem uzyskania

ZALICZENIA

z ćwiczeń i referatu

3. Egzamin obejmuje 3 grupy pytań:



Pytania z podstaw chemii (definicja,
prawo, nomenklatura chemiczna)



Zadanie rachunkowe



Pytania przekrojowe (2-3).

PYTANIA DO

PRZEMYŚLENIA

Skąd bierze się biały
osad na dnie czajnika?
Przecież nie było go w
wodzie, którą wlałam
do środka!

Halit można
zidentyfikować na
podstawie smaku
(miedzy innymi).
Dlaczego nie można
tego zrobić w
przypadku galeny?

Wykład 1 Repetytorium

51

joyerickson.wordpress.com

wikimedia

52

Wykład 1 Geologia a chemia

P R Z E R W

A !!!