G7501 Fyzikální geochemie Určeno: IV. +V. roč. (ZS 2/1) 3+2 kreditů Přednáška: úterý 7:00 -- 8:50 Cvičení: úterý 9:00 -- 9:50 Anotace:Přednáška navazuje na základní principy, probrané v kurzu Geochemie I (II. roč.) a je pokročilým kurzem magisterského studia geologie. Hlavní pozornost je věnována kvantitativnímu posouzení stability geologických systémů (minerálů a hornin, fluid) za podmínek jejich existence v zemské kůře a možnosti jejich přeměn. Značná část je také věnována studiu dynamiky přeměn geologických systémů a možnostem jejich modelování. Úspěšné zvládnutí kurzu umožní posluchačům vlastní aplikaci nejnovějších kvantitativních postupů fyzikální geochemie při řešení diplomových témat. Jedná se o širokou škálu problémů otázek geneze (podmínek T, p a složení) a časového vývoje geologických systémů od vyvřelých hornin až po hodnocení současných změn v atmosféře Země. Požadované předběžné znalosti: Pro úspěšné zvládnutí předmětu jsou nutné znalosti geologických disciplin v rozsahu bakalářského studia geologie, zejména základního kurzu geochemie. Studijní materiály: Přednáška je založena na zahraničních učebních textech a dalších zdrojích, protože není k dispozici moderní text v českém jazyce. V omezené míře lze využít starší učebnice: Bouška J., ed.: Geochemie. Academia, Praha, 1980. Zeman J.: Základy fyzikální geochemie, SPN Praha, 1990. Protože se geochemie zejména v posledních letech velmi dynamicky rozvíjí a mnoho údajů v uvedených učebnicích již neodpovídá modernímu pohledu, doporučuje se návštěva přednášek. Další studijní materiály jsou k dispozici na přednáškách a cvičeních, část je zveřejněna v IS na stránkách daného předmětu. Kontrola studia: Ve cvičení jsou pravidelně zadávány krátké kontrolní testy na zvládnutí základních pojmů a principů. Pro další pokračování ve cvičeních a získání zápočtu je nutná 70% úspěšnost v testech. Zkouška po získání zápočtů. Tématický přehled přednášek (vzhledem k nestejnému rozsahu témat budou některé části přesahovat ještě do následující přednášky) +--------------------------------------------------------------------------------------------+ | 1 | 20. 9. |Úvod, historie, základní pojmy. | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 2 | 27. 9. |Principy: První a druhý zákon termodynamiky I | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 3 | 4.10. |První a druhý zákon termodynamiky I | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 4 | 11.10. |Gibbsova funkce | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 5 | 18.10. |Chemický potenciál roztoků | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 6 | 25.10. |Procesy: Jednosložkové soustavy | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 7 | 1.11. |Vícesložkové soustavy; | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 8 | 8.11. |Pevné roztoky | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 9 | 15.11. |Chemicky reaktivní systémy: Rovnováha | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 10 | 22.11. |Důležité rovnovážné konstanty | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 11 | 29. 11. |Rovnovážná elektrochemie | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 12 | 6.12. |Dynamika: Rychlost geochemických procesů | |---------------+-------------------+--------------------------------------------------------| | 13 | 13.12. |Principy modelování | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ Podrobný syllabus: 1. Úvod: ˙ předmět studia a význam fyzikální geochemie ˙ stručná historie důležitých objevů: Benjamin Thompson, Humphry Davy, Julius Robert Mayer, James Prescot Joule, Hermann Helmholtz, Rudolf Clausius, James Watt, Sadi Carnot, Josiah Willard Gibbs ˙ systém a jeho okolí, typy systémů ˙ teplo, práce, energie ˙ stavové proměnné: extenzivní, intenzivní Principy: 2. První a druhý zákon: ˙ vnitřní energie, teplo, objemová práce, první zákon termodynamiky, entalpie, tepelné kapacity ˙ entropie, matematická definice, změny entropie systému, okolí a celkové ˙ standardní stavy pro entalpii a entropii 3. Gibbsova funkce: ˙ odvození Gibbsovy funkce, vztah mezi změnou Gibbsovy funkce a celkovou entropií ˙ závislost G na teplotě a tlaku ˙ vyjadřování složení systémů, závislost G na složení ˙ parciální molární veličiny 4. Chemický potenciál v roztocích: ˙ změny G ideálního plynu, směsi plynů a ideálních roztoků: plynných, kapalných, pevných, chemický potenciál ˙ reálné roztoky, fugacita a aktivita, Raoultův a Henryho zákon ˙ standardní stavy Procesy: 5. Jednosložkové soustavy: ˙ skupenství a fáze, fázové přeměny čistých látek, závislost stability na teplotě a tlaku ˙ fázový diagram, pozice fázových hranic ˙ tání, var, sublimace, přeměny v pevném stavu ˙ kritické hodnoty 6. Vícesložkové soustavy I: konstantní složení fází ˙ minimum G vícesložkové soustavy, fázové složení stabilní asociace ˙ fázové diagramy T-X, konstrukce diagramů z termodynamických údajů ˙ vliv těkavých složek na fázové hranice 7. Vícesložkové soustavy II: proměnlivé složení fází ˙ binární diagramy ˙ fázové diagramy fluida -- pevné fáze s konstantním složením, eutektikum, peritektikum ˙ fázové diagramy fluida -- pevné roztoky ˙ ternární diagramy 8. Pevné roztoky: ˙ ideální a reálné chování, dodatkové funkce, Margulesova rovnice ˙ termodynamické veličiny pevných roztoků ˙ odmíšení pevných fází Chemicky reaktivní systémy: 9. Rovnováha: ˙ minimum Gibbsovy funkce, reakční Gibbsova funkce, složení reakční směsi za rovnováhy ˙ závislost rovnováhy na teplotě a tlaku ˙ multifázové multikomponentní rovnováhy 10. Acidobazické rovnováhy: ˙ distribuční diagramy ˙ acidobazické rovnováhy (silné a slabé jedno- a vícesytné kyseliny a zásady, pH) ˙ pufry ˙ měření pH Rovnováhy srážení a rozpouštění: ˙ součin rozpustnosti 11. Komplexotvorné rovnováhy: ˙ konstanty stability komplexů, kombinace rozpouštěcích a komplexotvorných rovnováh ˙ distribuční diagramy 12. Rovnovážná elektrochemie: ˙ Gibbsova funkce tvorby iontů, aktivita elektrolytů, iontová síla roztoků ˙ elektrochemické poločlánky, reakce v článcích a jejich potenciál ˙ koncentrační články ˙ redukční potenciál, oxidačněredukční (redox) reakce a jejich potenciály ˙ měření Eh Dynamika: 13. Rychlost geochemických procesů ˙ reakční kinetika ˙ vztah mezi kinetikou a termodynamikou ˙ difuze, povrchy, mezifází a povrchové reakce ˙ dynamika velkých systémů - rezervoáry a toky Modelování 14. Principy modelování rovnováh a dynamiky ˙ Matematické metody řešení rovnovážných systémů ˙ Řešení v programech: Excel, Mathematica, Geochemist's Workbench ˙ Matematické modelování dynamiky ˙ Řešení v programech: Excel, Mathematica, Madonna 15. Ideální a reálné systémy ˙ vlastnosti ideálního systému ˙ termodynamika jako matematický model ideálního systému ˙ termodynamika jako matematický model reálného systému (systém ideální + oprava) Souhrn ˙ souhrn základních termodynamických vztahů a jejich vzájemné vazby ˙ oblasti použití v jednotlivých typech geochemických systémů