Chemia środowiska
Iwona Flis-Kabulska
Sprawy organizacyjne
Iwona Flis-Kabulska
[e-mail]
Konsultacje  poniedziałek 8:00  9:30, sala 1244
��  Chemia Środowiska E. Kociołek-Balawejder, E. Stanisławska,
Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu, 2012
��  Chemia Środowiska Gary W. vanLoon, Stephen J. Duffy, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 2008
��  Wprowadzenie do chemii środowiska J. E. Andrews, P. Brimblecombe,
T. D. Jickells, P.S. Liss, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
1999
Zaliczenie ćwiczeń:
2 kolokwia - każde za 16 punktow
Referat - 8 punktów
Egzamin pisemny - 60 punktów
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Zagadnienia
�� Charakterystyka geoekosystemów.
�� Rola atmosfery w bilansie cieplnym Ziemi.
�� Reakcje zachodzące w atmosferze - obieg podstawowych
pierwiastków, kwaśne deszcze, smog, substancje niszczące warstwę
ozonową.
�� Rola wody w przyrodzie.
�� Substancje organiczne i nieorganiczne w wodach naturalnych.
�� Budowa, rola i właściwości litosfery.
�� Substancje chemiczne w środowisku  systematyka, mikro- i
makroelementy.
�� Podstawowe zanieczyszczenia organiczne i nieorganiczne w
środowisku.
�� Krążenie pierwiastków chemicznych w środowisku - cykl węgla,
azotu, siarki i fosforu.
�� Zanieczyszczenie środowiska chemikaliami  samooczyszczanie i
usuwanie zanieczyszczeń metodami chemicznymi.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Chemia środowiska
Informacje ogólne
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Chemia środowiska
Chemia środowiska to ogół procesów chemicznych i biochemicznych
zachodzących w otoczeniu.
Chemia środowiska jest nauką interdyscyplinarną, blisko związaną z
biologią, fizyką i geografią.
Zajmuje się procesami na powierzchni Ziemi i w jej pobliżu:
�� obejmuje skład i budowę chemiczną głównych elementów środowiska,
�� zajmuje się procesami fizykochemicznymi i chemicznymi
przebiegającymi w tych obszarach,
�� zajmuje się zmianami zachodzącymi w przyrodzie pod wpływem
zanieczyszczeń i zjawisk wywołanych czynnikami o charakterze
antropogenicznym.
Cel zajmowania się chemią środowiska  zapewnienie czystszego i
bardziej zdrowego otoczenia.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Elementy środowiska
Atmosfera  środowisko gazowe - Biosfera  środowisko życia - strefa kuli
gazowa powłoka Ziemi wypełniona ziemskiej zamieszkana przez organizmy
powietrzem atmosferycznym; żywe, gdzie odbywają się procesy
utrzymywana przy powierzchni przez ekologiczne.
siłę grawitacji; całkowita masa powietrza
otaczającego Ziemię.
Elementy środowiska
Lądy  środowisko stałe, wchodzące w
Hydrosfera  środowisko ciekłe, wodne.
skład litosfery - zewnętrznej, sztywnej
Geosfera złożona z wody morskiej i wód
powłoki Ziemi obejmującej skorupę
na lądach w stanie ciekłym, stałym i
ziemską i górną część płaszcza
gazowym. Obejmuje wszystkie zbiorniki
ziemskiego; obszar skorupy ziemskiej
wodne.
niepokryty wodami mórz i oceanów.
Pedosfera  sfera gleb
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Aspekty chemii środowiska
Pełny opis środowiska globalnego (naszego otoczenia) wymaga znajomości:
�� składu chemicznego środowiska naturalnego
Składniki środowiska  miejsce występowania substancji, stężenie, postaci,
toksyczność, z
ródło podwyższonych stężeń.
�� procesów, które przebiegają w naszym otoczeniu
Procesy naturalne - fizyczne, chemiczne i biologiczne, w których biorą udział
składniki środowiska:
- czynnik zewnętrzny (wietrzenie skał, denudacja (wyrównywanie i stopniowe
obniżenie powierzchni Ziemi), transport produktów wietrzenia, sedymentacja ich na
lądach lub w zbiornikach wodnych),
- czynnik endogeniczny  czynnik geologiczny (z wnętrza Ziemi),
- czynnik egzogeniczny - czynnik pozaziemski, jak promieniowanie słoneczne,
przyciąganie Księżyca.
�� wszystkich zmian wynikających z działalności człowieka
Skutki antropogeniczne - czynniki antropogeniczne - czynniki związane z
wpływem człowieka na środowisko i bytujące w nim rośliny i zwierzęta.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Ekologia
Ekologia - to nauka o związkach i współzależnościach między organizmami a
otaczającym je środowiskiem.
Na organizmy w środowisku oddziałują
" czynniki abiotyczne (czynniki fizykochemiczne określające warunki środowiska
nieorganicznego - przyrody nieożywionej):
 typ gleby warunkujący jej niebiologiczne właściwości,
 ukształtowanie powierzchni terenu,
 skalistość ziemi,
 czynniki chemiczne np.: skład chemiczny atmosfery i wód, zwłaszcza ich
zasolenie, natlenienie,
 klimat,
 wilgotność powietrza,
 temperatura,
 światło,
 ciśnienie atmosferyczne lub ciśnienie hydrostatyczne,
 promieniowanie i jonizacja powietrza,
 pole magnetyczne (magnetorecepcja).
" czynniki biotyczne (czynniki ekologiczne polegające na oddziaływaniu żywych
organizmów w sposób bezpośredni lub pośredni na inne żywe organizmy).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Charakterystyka geoekosystemów
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Ekosystem
Ekosystem  (największa jednostka funkcjonalna biosfery) każdy obszar naturalny
zawierający drobnoustroje, rośliny i zwierzęta zamieszkujące dane środowisko
(biocenoza) i substancje nieożywione (abiotyczne) współdziałające w wymianie
materii między ożywioną i nieożywioną częścią systemu.
Biocenoza - część żywa - ogół organizmów występujących na danym obszarze
powiązanych ze sobą w jedną całość różnymi zależnościami
Biotop - środowisko abiotyczne  nieożywione elementy tego obszaru  woda,
powietrze, gleba, klimat, temperatura, rzez
ba terenu.
Biom  zbiór ekosystemów o podobnych właściwościach, obszar o względnie
jednorodnych warunkach klimatycznych, glebowych i roślinnych - np. wiecznie zielone
lasy równikowe, sawanny, gorące pustynie i półpustynie, wiecznie zielone lasy klimatu
umiarkowanego, stepy, roślinność wysokogórska, itd.
Typy ekosystemów:
" Ekosystemy wodne  np. morza, oceany, wody śródlądowe, lądolody, lodowce
" Ekosystemy lądowe  np. pole uprawne, las
Każdy ekosystem jest powiązany z innymi ekosystemami i razem stanowią one
całość.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Ekosystem
Struktura pokarmowa:
" środowisko abiotyczne  materia nieożywiona w środowisku,
" producenci  autotrofy, organizmy samożywne, które użytkują wyłącznie
abiotyczną część ekosystemu; syntetyzują materię organiczną,
" konsumenci  organizmy cudzożywne (głównie zwierzęta); żywią się innymi
organizmami lub martwą materią organiczną,
" reducenci  destruenci czyli bakterie i grzyby powodujące rozkład materii
organicznej, z której uwalniają się nieorganiczne składniki pokarmowe dla
producentów.
Kryteria wyróżniania ekosystemu:
" z punktu widzenia składu ekosystemu (fauna w ekosystemach jest specyficzna,
zawiera gatunki charakterystyczne),
" z punktu widzenia pełności składu (każdy układ musi składać się z 3 elementów,
którymi są producenci, konsumenci i reducenci),
" z punktu widzenia czasu trwania układów (są one ustabilizowane i trwałe),
" z punktu widzenia granic, które układ ograniczają (wielkość zajmowanego obszaru
jest uwarunkowana zdolnością rozkładu, musi zachodzić pełna realizacja obiegów
materii i przepływów energii).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Geosystem
Geosystem  (jednostka wyodrębnioa z przestrzeni geograficznej) fragment
przestrzeni geograficznej wyodrębniającej się z otoczenia pod względem
przestrzennym i strukturalnym.
Ziemia jako przedmiot badań.
Wielkość geosystemu zależy od przyjętego kryterium podziału (np. kula Ziemska
lub najmniejsza jednostka przestrzenna, jaką da się wydzielić w oparciu o przyjęte
kryterium klasyfikacji, np. geosystem zbiornika wodnego).
Geosystem składa się z następujących komponentów: przypowierzchniowej
warstwy powietrza, rzez
by terenu, stosunków wodnych, gleby, szaty roślinnej i
fauny.
Geosystem  globalny układ ekologiczny, obejmujący wszystkie ekosystemy
światowe, jako wzajemnie powiązane i warunkujące się elementy.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Geoekosystem
Geoekosystem  Ziemia jako przedmiot badań, ale z większym zwróceniem uwagi na
działalność człowieka.
 Geosystem - stosowany jest przede wszystkim przez badaczy zajmujących się
sferą abiotyczną (cechy rzez
by, podłoża geologicznego i warunków wodnych, a także
użytkowanie ziemi i roślinność)
 Ekosystem odnosi się raczej do podziału przestrzeni żywej części przyrody
 Geoekosystem - całościowe podejście do zagadnienia środowiska  łączy
sferę biotyczną i abiotyczną. (A. Kostrzewski, 1993)
Uwarunkowania funkcjonowania geoekosystemu obejmują: położenie geograficzne,
geologię, rzez
bę, klimat, obieg wody, świat roślinny i zwierzęcy oraz działalność
człowieka.
Geoekosystemy różnią się pod względem skali - lokalnej, regionalnej, kontynentalnej i
globalnej.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Geoekosystem
Przykłady:
�� Geoekosystem Parku Narodowego Yellowstone  jedno
z największych laboratoriów naturalnych badających
wzajemne oddziaływania między światem fizycznym,
organizmami i człowiekiem - łączy opis geologiczny
(procesy wulkaniczne, hydrotermalne i lodowcowe) z
ekosystemem Parku  jego roślinnością i fauną.
�� Geoekosystem Antarktydy
http://www.home.umk.pl/~geopolar/stacja/STACJA.HTML
�� Geoekosystem Arktyki
�� Geoekosystemy rzek
�� Geoekosystemy jezior
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Powstanie Wszechświata i Ziemi
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Powstanie Wszechświata - gwiazdy
�� Wielki Wybuch  Big Bang  13.7 mld lat temu  eksplozja materii i energii
�� Skupiska gazów: H i He  przyciąganie grawitacyjne  powstawanie gwiazd,
galaktyk, gromad i supergromad
Pierwiastki obecne we Wszechświecie tworzyły się podczas reakcji jądrowych w
gwiazdach i podczas wybuchów supernowych.
�� W gwiazdach  reakcje jądrowe: przemiana H w He, a póz
niej He w C i O.
�� Najcięższym pierwiastkiem powstającym w jądrach gwiazd jest żelazo.
Pierwiastki cięższe powstają w wyniku wybuchu gwiazd supernowych.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Powstanie Wszechświata - planety
�� Zlepiające się krystaliczne ziarna pyłu tworzyły planetozymale  zalążki
planet.
�� Powstawanie planet w wyniku akrecji - opadania rozproszonej materii na
powierzchnię ciała niebieskiego (planetozymali) w wyniku działania
grawitacji lub wzrost cząsteczek pyłu w wyniku oddziaływań
elektrostatycznych.
�� Proces tworzenia się planety kończy się, kiedy cała materia znajdująca się
w jej pobliżu zostanie przez nią wchłonięta
Nasza Galaktyka powstała 10 - 11 mld lat temu
Układ Słoneczny zaczął się tworzyć ok. 5 - 6 mld lat temu.
Ziemia powstała ok. 4,55 mld lat temu.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Powstanie Wszechświata - Ziemia
Gdy Ziemia w wyniku akrecji uzyskała masę zbliżoną do obecnej, zaczęła się ogrzewać.
Spowodowane to było rozpadem izotopów promieniotwórczych oraz uderzaniem w jej
powierzchnię materii z przestrzeni kosmicznej. W wyniku ogrzewania żelazo i nikiel
uległy stopieniu i utworzyły w środku planety jądro.
 Aktywność wulkaniczna, fałdowanie
i wypiętrzanie się skał pod ciśnieniem
w wyniku przesuwania się płyt
tektonicznych, chemiczna i fizyczna
erozja, oraz sedymentacja zmieniały
skorupę Ziemi w czasie długich okresów
jej wczesnej historii.
Młodą Ziemię tworzyło jądro (żelazo i jego stopy), płaszcz (MgFeSiO3) i skorupa (tlenki
i krzemiany metali) oraz atmosfera (H2, N2, CO i CO2).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Powstanie Wszechświata  atmosfera i hydrosfera
Atmosfera:
Pierwotna atmosfera (CO2, N2, śladowe ilości CH4, NH3, SO2, HCl, CO i H2) uległa
rozproszeniu do przestrzeni kosmicznej.
Drugą atmosferę utworzyły gazy uwalniające się w wybuchu wulkanów. Stanowiły ją
CO2, N2, nieznaczne ilości H2 i H2O, a także NH3, CH4, HCN, H2S.
Hydrosfera:
 hipoteza geotermalna - obecność wody w magmie wynosi ok. 1-8%. Aktywny wulkan
uwalnia wodę do atmosfery lub hydrosfery.
 pochodzenie kosmiczne  bombardowanie Ziemi przez komety i meteoryty
zawierające wodę.
 powstanie wody w wyniku reakcji:
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
H2 + CO2 CO + H2O
Katalizatorami tych reakcji były tlenki metali.
Wysoka temperatura i niskie pH (ok. 2) praoceanu wynikające z obecności CO2, HCl i
związków S, powodowało rozpuszczanie składników skał. W konsekwencji: wzrosło pH
do ok. 8, wzrosło stężenie metali i powstawały skały osadowe zawierające jony
węglanowe (np. CaCO3  kalcyt).
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Powstanie Wszechświata - Życie
Życie
Organizmy - związki organiczne lub struktury zdolne do metabolizmu i
samorzutnie się odtwarzające.
Brak O2, O3  dopływ promieniowania słonecznego UV o wysokiej energii 
pierwsze połączenia organiczne:
CO 2H2 h ,kat CH3OH
CO H2 h ,kat HCHO
Synteza materii organicznej {CH2O} ok. 4 mld lat temu:
h ,kat
CO2 2H2S HCHO 2S H2O
Ok. 3,5 mld lat temu  fotosynteza:
h
CO2 H2O CH2O O2
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Zmiany poziomu stężenia tlenu atmosferycznego
Zmiany poziomu stężenia tlenu atmosferycznego w czasie w stosunku do
dzisiejszego poziomu 100% (w mld lat)
W archaiku (4,0  2,5 mld lat temu) atmosfera Ziemi i oceany były prawie
pozbawione tlenu, czyli reprezentowały skrajnie redukcyjne środowiska.
2,4 mld lat temu  GOE - Great Oxidation Event (wielkie wydarzenie
oksydacyjne), czyli gwałtowny skok w natlenieniu atmosfery i wód morskich.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Warunki umożliwiające życie
Nasza planeta znajduje się w tzw. kosmicznej ekosferze, czyli obszarze, w
którym występują warunki umożliwiające powstawanie życia biologicznego
(białkowego).
Warunki konieczne do występowania życia:
�� obecność na danej planecie wody,
�� orbita ciała kosmicznego powinna być stabilna, a gwiazda, wokół której
krąży, nie może wykazywać znacznych wahań pod względem emisji
promieniowania.
�� w układzie planetarnym, tak jak w naszym Układzie Słonecznym, powinny
się znajdować olbrzymy gazowe, które chronią przed  kosmicznym gruzem ,
�� odległość orbit planet ekosfery od gwiazdy musi być taka, aby zapewniony
był odpowiedni poziom dostarczanej energii,
�� planeta musi mieć odpowiednią masę i budowę, co wpływa na grawitację i
występowanie atmosfery,
�� powstanie Księżyca mogło być kluczowe dla rozwoju życia na Ziemi,
ponieważ ustabilizował on rotację planety, przez co wpłynął na regulację
zjawisk atmosferycznych.
Iwona Flis-Kabulska,
WBNS/WMP SNS UKSW
Współczesna Ziemia
Stałość głównych składników Ziemi
Masa/kg 5,98 x 1024
Promień/m 6,38 x 106
Gęstość/kg m-3 5520
Odległość od 1,5 x 108
Słońca/km
Temp. powierzchni/K
290
Atmosfera Oceany Lądy
Masa/kg 5,27 x 1018 1,37 x 1021
Powierzchnia/m2 3,61 x 1014 1,48 x 1014
Przybliżona gęstość/kg 1,3 (przy pow. Ziemi, 1030 2700 (skały na pow.)
m-3 0oC)
Si, O, Al., Fe, Ca (jako
H2O, Na+, Cl-, SO42-,
Główne składniki N2, O2, H2O, Ar krzemiany, tlenki,
Mg2+
węglany)
Ziemia - układ dynamiczny - wulkanizm, przemieszczanie się płyt tektonicznych,
wietrzenie, erozja, sedymentacja i ewolucja.
Wskutek interakcji (wzajemne oddziaływanie) i sprzężenia zwrotnego zmiany w
jednym elemencie ekosfery, zachodzą na całej Ziemi.