Hidroszféra Dózsa L.: A környezeti kémia alapjai, Db. 1993

Átírás

1 Hidroszféra

2 Hidroszféra Dózsa L.: A környezeti kémia alapjai, Db. 1993

3 A Föld vízkészlete A Föld vízkészlete (Láng) Víz mennyisége km 3 % Óceánok és tengerek ,61 Sarki és hegyvidéki jég és ,08 hó Felszín alatti vizek ,29 Édesvizű tavak 125 0,009 Sósvizű tavak 104 0,008 Talajnedvesség 67 0,005 Atmoszféra 14 0,0009 Folyóvizek 1,2 0,00009 Összesen

4

5 Újabb adatok: Eur. Environ. Ag. (EEA) IZLAND: fő (2014 március) km², víz: 2,7% 3,1 fő/km²

6 A víz környezetkémiai tulajdonságai Leggyakoribb vegyület a Földön Földi élet alapja (entrópiacsökkenés és szervezett organizmusok) Anomális sűrűség: max 4 C-nál Felszíni vizek befagyása felülről Nyári és téli réteződés, tavasszal, ősszel keveredés Oldott anyag és szilárd részecskék transzportja Hőkiterjedési együttható: kicsi (negyede más folyadékok tipikus értékének) Kalorikus állapot jelzői (pl: moláris hőkapacitás, párolgási entalpia) nagy értékek: jó szabályozó közeg, pufferol és tárol Fajlagos hőkapacitás: sok energia szükséges, hogy a hőmérsékletet növelje (az energia ahhoz kell, hogy felbontsa a hidrogénkötéseket) Föld felszinenek 71 %-a viz Napbol erkező energia kis változást okoz a bolygó hőmérsékletében gátolja, hogy túl meleg vagy túl hideg legyen: hőt az óceánok nyáron taroljak, télen visszasugározzak a légkörbe óceán mérsékli az éghajlatot, az évszakok közötti különbségeket. Párolgási hő: sok napenergia kell, hogy a folyadékból vízgőz legyen -vízgőz a melegebb területek felől a hidegebb felé mozog, visszaalakul folyadékká, csapadékot okozhat, felszabadítja a hőt, ami felmelegíti a levegőt hatalmas mennyiségű energia magába foglalja a földi viharok es szelek erejet

7 A víz környezetkémiai tulajdonságai Nagy felületi feszültség (72 mn/m, 20 C): felületi jelenségek, kapilláris hatás, cseppképződés Dipólusmomentum és dielektromos állandó: nagyok, elektromosan töltött részecskéket (ionokat) és dipólusokat (poláris nemelektrolitokat) stabilizál hidratálással, kitűnő oldószer Anomális tulajdonságok nagy része a hidrogénhíd kötés következménye Optikai tulajdonságok: IR aktív, VIS és UV csekély abszorpció, fotoszintézis kb 100 m-ig

8 A víz körforgása a természetben

9 Tengervíz

10 A tengervíz profil A tengervíz mélységi szerkezetét nevezzük profilnak 1. Felületi mikroréteg mikrométer vastagságú, itt gyűlnek fel a felületaktív anyagok komplexképzés gyakori, szerves anyagok (lioszol képződés) 2. Kevert réteg 300 m-ig, viszonylag jól kevert, sajátos koncentráció profilok (csökkenő a levegőből származó anyagokra, növekvő az endogén fémekre) 3. Hőmérsékletugrás rétege 4. Mélyréteg

11 A tengervíz profil

12 Óceáni cirkuláció Egyenlítő és sarkok között nagy T különbség légköri és óceáni cirkuláció = hőszállítás a sarkok felé lassú rendszer: kb év míg körbeér vertikális vízmozgás: felszín és mélyebb étegek között ρ különbségek általi cirkuláció: ρ a ssótartalomtól és a hőmérséklettől is függ szél által irányított mozgás: felszíni áramlatok

13 A Föld vízkészlete

14 Édesvizek Jegek Kétharmada a sarki jegekben és gleccserekben (90% a déli sarkon) Ivóvizek és használati vizek Stratégiai kérdés (háború) Különbségtétel közöttük (fejlett országok) Ivóvíz forrása Az édesvizek analitikája Külön tárgykör, szabványok, módszerek speciáció

15 Hőmérsékletgradiens és rétegződés a felszíni vizekben

16 A víz kémiája: vegyészek(?) 1. Fizikai kémia fagyás, olvadás 2. Oldószer (sav-bázis, koord kémia) Medusa (fémek, félfémek, komplexek) Gázok oldékonysága 3. Redox tulajdonságok stabilis, oxidálni redukálni lehet benne Szerves anyagok huminsavak (fulvósav, huminsav (nagy ph), humin), kolloid állapot

17 A gázok oldékonysága vízben vízi élőlények életfeltételei : oxigén, széndioxid oldott nitrogén számos problémát okozhat, ha a halak vérében buborékot képez ( keszonbetegség ): 1978-ban Missuoriban az Osage folyón, amikor az új Truman-gátról lezúduló víz nagy hidrosztatikai nyomása miatt a víz túltelítetté vált nitrogénnel, ami óriási halpusztulást okozott: a folyó 40 km-es hosszán csaknem hal pusztult el Henry-törvény, Henry állandó kémiai reakció (CO 2, SO 2, No x ) G g G aq Henry-törvény: egy gáz koncentrációja a folyadékban arányos a folyadékkal érintkező gázban lévő parciális nyomásával: c G = K p G ahol p G a gáz parciális nyomása gázfázisban, c G a gáz koncentrációja az oldatban, K pedig a Henry állandó, ami megadja az illető vegyület megoszlását a gáz- ás folyadékfázis között. K anyagi állandó, a gáz anyagi minőségétől és hőmérsékletétől függ.

18 Csapadékképződési egyensúlyok A víz nagy dielektromos állandója alapján várható, hogy az elektromosan töltött részecskéket szolvatálni és így szétválasztani képes. Sok só és poláris szénvegyület oldódik vízben. Az elektrolitok oldhatóságát az oldhatósági szorzat határozza meg. Az elektrolit telített oldatában az oldódás a következő egyenlet alapján játszódik le, pl. Ca 2+ (aq) + CO 3 2 (aq) CaCO 3(s) az oldhatósági szorzat: K L = [Ca 2+ ][ CO 3 2 ] ahol [Ca 2+ ] és [ CO 3 2 ] az ionok moláris koncentrációja. Szilárd anyagok oldhatósági szorzata vízben, 25 C-on: A természeti környezetben az egyes anyagok oldhatósága határozza meg az adott anyag mobilizációját és transzportfolyamatait vizes közegekben, azonban figyelembe kell vennünk azt is, hogy a természetes rendszerek többkomponensű rendszerek, ahol az oldhatóságot számos más tényező befolyásolja: az oldatok ph-ja, hőmérséklet, komplexképző anyagok jelenléte. Vegyület pk L Al(OH) 3 32,7 CaCO 3 8,0 CaSO 4 4,32 Fe(OH) 2 13,5 Fe(OH) 3 37,4 MgCO 3 3,7 PbSO 4 8,0 CaHPO 4 6,7

19 Fémek a hidroszférában M n+ kémiai formái (spceies) 1. Hidrolizáló fémionok: hidratált fémion, M(H 2 O) x n+ Brönsted-sav: Fe(H 2 O) 6 3+ FeOH(H 2 O) H + Dehidratáció és dimeralizáó, növekvő OH - -koncentrációval, pl Fe(OH) 2 (H 2 O) FeOH(H 2 O) 5 2+ [(H 2 O) 4 Fe=(OH) 2 =Fe(H 2 O) 4 ] H 2 O Kolloid polimerek képződése, majd kicsapódása, pl Fe(OH) 3 formában 2. Fémkomplexek: pirofoszfát, cianid, huminanyagok, kloro-, EDTA, kelátok a fém oldatba kerülhet, oxidációs állapota változhat vagy oldhatatlan komplexként kiválhat Komplex: semleges, + vagy töltésű is lehet, Mobilitás/transzport: az ásványok a negatív töltésű komplexeket nem adszorbeálják Vizekben természetes komplexképzők: oldott humin- vagy humuszanyagok

20 A speciáció számolása A speciáció (részecske eloszlás) jelentése Az analitikai eredmények teljes koncentrációt adnak A forma ritkán jelenik meg (inkább a redoxi állapotokban) Szoftverek Minteqa, Fiteql (régiek nem fejlesztették őket) Medusa, Hydra (KTH Stockholm, I. Puigdomenech) Solgaswater (professzionális, Umea, Svédország)

21 A medusa és a hydra használata Adatbázisok megbízhatóság hőmérséklet ionerősség, számítások tengervízben, izotoniás sóoldatban Adatok értelmezése definíciók, pk, K p stb. Egyensúlyi rendszerek definiálása

22 car noit F C[ Speciáció - példa Folyó - Tengeröböl: Folyóban: 0,02 M Cl- Torkolatban: 0,16 M Öbölben: 0,37 M ] l TOT 3 l 2 l Cd C Cd C M = ] +2 d C[ TOT Mm l+ Cd C +2 d C = Hp

23 Vége