Az elemek szintézise. Környezeti kémia. Elemgyakoriságok az univerzumban Elemgyakoriságok az univerzumban: lineáris ábrázolás

Átírás

1 Az elemek szintézise Környezeti kémia 2. Előadás A természeti környezet evolúciója Univerzum kialakulása: milliárd évvel ezelőtt Ősrobbanás : neutrongáz robbanása neutronok és protonok deutérium- és héliummagok keletkezése A hidrogénnél és a héliumnál nagyobb rendszámú elemek ezen két könnyű elemből magreakciók révén jöttek létre Az elemek gyakorisága a világegyetemben és a Földön (atom%) Elemgyakoriságok az univerzumban 56 Fe -nuklidnál stabilitási maximum alakul ki. Hasonlóan relatív stabilitást mutat a 4 He mag is, továbbá a közötti tömegszámú magok csoportja. E tapasztalat alapján jól értelmezhető a Harkins-szabály, amely szerint a páratlan rendszámú elemek gyakorisága a természetben kisebb, mint a mellettük lévő páros rendszámú elemeké, továbbá az is, hogy a páros protonszámú és páros neutronszámú magok a földkéreg elemeinek mintegy 80%-át teszik ki. lineáris ábrázolás logaritmikus ábrázolás 1

2 logaritmikus ábrázolás izolált pontokkal Molekulák képződése a csillagközi térben Hőmérséklet a földihez hasonló: semleges atomok és molekulák Bonyolult molekulák is kimutathatók: ciánacetilén, etanol, akrilnitril, formaldehid: a Föld kialakulása után bolygónkon is képződhettek Ezek aminosavak, szénhidrátok szintéziséhez vezettek biológiai rendszerek A Naprendszer keletkezése 5-6 milliárd évvel ezelőtt atomok, molekulák, kozmikus por és csillagközi anyagok kondenzációja révén jött létre. Az összehúzódó rendszer középpontja csillaggá változott. A külső részekből viszonylag nagy sűrűségű, forgó korong képződött. A Föld képződése A Nap sugárzó csillag lett. Többi égitest: folyadék- és végül szilárd fázis képződése közben lehűlt. A Föld, a Naprendszer többi bolygója, a meteoritok és aszteroidák eredete közös. A Föld képződése Életkora: 4,6 milliárd év Mai szerkezet kialakulása: Gáz és szilárd részecskék kondenzációja, aggregációja Felmelegedés, az alkotók részbeni megolvadása Az alkotók sűrűség szerinti elválása Gázveszteség Lassú lehűlés, kristályosodás Az elemi összetétel a világegyetemtől különböző 2

3 Illékony komponensek földfelületről való távozása: N 2, nemesgázok, NH 3, CH 4, CO, O 2 Ősatmoszféra: szilárd fázisból eltávozó gázok ( N 2, H 2 O, CO, CO 2, NH 3, CH 4, H 2 S) redukáló tulajdonságú (az elem a világűrbe jutott pl. nemesgázok, H, N) Gázhalmazállapotú + ionos vegyületek pl. C Nagy forráspontú oxigénvegyületek pl. Mg, Al, Si (a világegyetemhez hasonló gyakoriság) Oxidációs-redukciós folyamatok Fémek: oxidok és szulfátok, szilícium: szilícium-dioxid és szilikátok, kén: szulfidok formájában kristályosodott ki A folyékony vas sűrűsége révén a Föld középpontja felé mozgott Redukálta a pozitívabb redoxpotenciálú ionokat A kevésbé reakcióképes fémek egy részével ötvözeteket képzett (Ni, Au, Pt) A kisebb sűrűségű oxidok és szulfidok feldúsultak a külső régióban Föld magja: vas részben szilárd, részben folyékony Földköpeny: szilikátos kőzetek Földkéreg: a Föld tömegének 1%-a, legkisebb a sűrűsége, összetétele változatos A Föld szerkezete A Föld önálló energiatermelése minimálisra csökkent beállt a ma is érvényes kvázi-stacioner E- állapot időjárás felszín teljes átalakulása kőzetmállás, hordalékszállítás, üledék-képződés, hegyek gyűrődése és lekopása 3

4 Az elemek másodlagos differenciálódása Szeparálódási folyamat Kötési sajátosság Fémkation sugara Ionpotenciál (z/r) Kristályrács tulajdonságai Rácsenergia Kristályosodási hőmérséklet Az elemek feldúsulása ércekben Ércek: fémtartalmú ásványkeverékek, melyekből a technika adott fejlődési szintjén a fémek gazdaságosan előállíthatók Hőmérsékletváltozás (frakcionált kristályosodás, párolgás, szublimáció, hidrotermális folyamatok,metamorfózis, stb.) Mállás (fizikai, kémiai, biológiai) Redoxifolyamatok A kémiai evolúció A biológiai lények sokféleségének oka: sokféle molekulából épülnek fel De: a sokféle (kb ) molekula csak kevés (kb ) építőegységből, ún. monomerből épül fel viszonylag kis számú alapegység óriási variabilitásával tudja a bonyolult biológiai szervezeteket létrehozni a természet Először a monomereket felépítő molekulák, a prekurzorok (előanyagok) keletkeztek A kémiai evolúció A Föld légkörében kezdetben nem volt szabad oxigén (az olvadt Fe és Ni megkötötte) Fő reakció: metángáz, CH 4 keletkezése az oxigénmentes, reduktív viszonyok miatt Az ősi légkör összetevői: CH 4, H 2, NH 3, H 2 O Ezeket az anyagokat nevezzük prekurzoroknak Egyszerűbb szerves molekulák ( intermedierek ) abiotikus körülmények között is képződhetnek. Erre bizonyíték: Szerves molekulák abiotikus képződése (Miller, 1953, Chicago) Készülékével az őslégkört modellezte Elektromos kisülés: a villámokat helyettesíti A légkörben képződött szerves vegyületek a folyadékcsapdában kötődnek meg Mintavétel: a folyamatok követését, termékek elemzését biztosítja Reakcióidő: több hét A Miller-kísérletben keletkezett szerves vegyületek Vegyület neve, képlete µmol kihozatal bevitt C %-a Hangyasav, H-COOH ,9 Glicin, H 2 N-CH 2 -COOH 630 2,1 Glikolsav, HO-CH 2 COOH 560 1,9 Tejsav, CH 3 CH(OH)COOH 390 1,9 Alanin, CH 3 CH(NH 2 )COOH 340 1,7 Propionsav C 2 H 5 -COOH 126 0,6 Ecetsav, CH 3 -COOH 152 0,5 Glutaminsav, HOOC-(CH 2 ) 2 CH(NH 2 )-COOH 6 0,05 Aszparaginsav, HOOC-CH 2 CH(NH 2 )-COOH 4 0,03 4

5 A biomolekulák prebiotikus szintézisének hipotézise a Miller-kísérletben képződött intermedierek abiotikus úton is alkothatnak monomereket (lásd táblázat) a monomerekből biológiai szervezetek közreműködése nélkül is sikerült biopolimer molekulákat előállítani Vegyülettípus Vegyület szénhidrát glükóz, ribóz, dezoxi-ribóz, maltóz, cellobióz, galaktóz purinvázas adenin, guanin, koffein pirimidinvázas uracil, timin, citozin nukleozid adenozin, guanozin, uridin, timidin, citidin nukleotid adenozin-monofoszfát (AMP), adenozin-difoszfát (ADP) 5