Grundvandskemi 2: kemisk ligevægt syre base reaktioner Eksempler på grundvand og vandkemi i vores hverdag

Transkript

1 Grundvandskemi 2: kemisk ligevægt syre base reaktioner Eksempler på grundvand og vandkemi i vores hverdag Søren Munch Kristiansen smk@geo.au.dk

2 G02 2 Regnen Opløst ilt Opløst kuldioxid Opløst kvælstof er ikke reaktivt En række sporstoffer kommer også Kemiske stoffer afsættes ved våd og tørdepostion Anthropogene stoffer som CFC, SF 6, etc. Forhøjede koncentrationer af N og S forbindelse Grundvand (og jordvand) Kemisk typisk meget anderledes end regn Vandet i jorden kan være fx hårdt eller blødt Kan indeholde menneskeskabte stoffer og forhøjede koncentrationer af organiske, uorganiske, radioaktivitet, sporstoffer Kan have meget opløst organisk stof Indeholder mange mikroorganismer

3 G *complex ions* are not to be confused with *complexes* in solution, like MgHCO3+ or PtCl2(NH3)2. 3

4 Oprindelse af grundvand => regnvand G02 4 Opløste stoffer skyldes så: Naturlige kilder Oceaner Vulkaner Støv (vinderosion) Skovbrande Antropogene kilder Skovbrande Fossile brændstoffer Industri (cement, m.fl.) Appelo & Postma, 1997

5 G02 5

6 G02 6

7 G02 7

8 G02 8 Ion activity product {IAP}

9 G02 9

10 G02 10

11 G02 11 REDOX senere

12 K eq er = IAP = Ion activity produkt KUN når der er kemisk ligevægt i væsken G02 12

13 Reaktionskinetik G02 13 Typiske effeter på reaktionerne som funktion af temperatur: a) uorganiske reaktioner b) explosive reaktioner c) biokemiske reaktioner

14 G02 14 K eq = {Ca 2+ } eq {CO 3 2 } eq K sp bruges på engelsk (sp = solubility product) om et stofs opløselige i vand ved ligevægt Ved ligevægt for en gas opløselighed i vand kaldes K eq også for Henry s konstant.

15 Bemærk enheden for K eq! G02 15

16 Termodynamisk ligevægt G02 16 Definerer reaktionens kvotienten uanset om der er ligevægt: (denne kaldes for ion aktivitets produktet IAP) IAP G r (Gibbs frie energi) er defineret som: IAP IAP IAP (Gibbs fri energi = 0) IAP IAP

17 Når der IKKE er ligevægt i væsken! G02 17 SI = log IAP lonaktivitetsproduktet i opløsningen Ligevægtskonstanten for mineralet IAP = {Ca 2+ } {CO 3 2 } Calcit har K eq = 10 8,4 SI (CaCO 3 ) = log IAP log K eq = log IAP HUSK IAP = ved ligevægt = K sp Nu regnes på common ion effect opgaverne

18 G03 18 Hvorfor forvitrer mineraler? Bowen s serie Udfældning i magma: først Opløselighed i vand: størst sidst mindst 18 Bowen, 1922; Borggaard, 2000

19 Størrelse betyder noget opløsning af mineraler G03 19 Source: Bruce Railsback, Univ. Georgia 1 Ångstrøm = m 19

20 G02 20

21 Det antages, at ΔH 0 og ΔS 0 er temperaturuafhængige. Herved kan differensen mellem K ved forskellige temperaturer, her T 1 og K ved T 2, findes som: G02 21

22 G02 22

23 23 G02 23 Log Keq

24 Smokers og kalkudfældninger i vores dagligdag G02 24 I vandrør, elkedler, vandhaner, etc. Udfældninger af kalk som CaCO 3 sker oftest i form af dårligt krysalliseret aragonit med mange urenheder som inklusioner eller if. af fejl i krystalgitret) G02 24

25 G02 25 En endoterm reaktion, dvs. H >0, så energi forbruges Nu regnes på opløselighed af calcit opgaven

26 G02 26

27 Brønsted Lowrysyre base definition: Syre: kan give eller donere en proton, fx HCl Base: kan modtage eller acceptere en proton, fx NaOH G02 27

28 G02 28

29 G02 29

30 G02 30 Hyppighed af forekomst i grundvand Varv i søsedimenter fra Holocæn: Lyse lag: maj juli mange kalkskallede organismer Mørke lag, August April få kalkskallede organismer

31 G02 31

32 Nu regnes på ph i regnvand og jord opgaven G02 32

33 Grundvand, drikkevand og os G02 33 Plumlee & Ziegler,

34 Toksikologi og epidemiologi G02 34 Når man vurderer et stofs giftighed skelner man imellem giftvirkningen: i naturen (en øko toksikologisk trussel) og på mennesker (en human toksikologisk trussel). Giftvirkningen på mennesker deles normalt op i: korttids, dvs. akut forgiftning (toksikologi), og Langtidseffekter (epidemiologi), som kroniske sygdomme (fx i hud, nerver, og tarm/mave) og cancer (fx hud og urinvejskræft). 34

35 Anbefalede indtag og sporstoffer Eksempel: Jod er essentielt for at vi kan regulere metabolismen in cellerne (via hormoner fra skjoldbruskkirtlen) og er vigtig for tidlig udvikling af mange organer, Mennesklig sundhed Mikronæringsstof jod, selen, Sikker og tilstrækkelig Dagligt indtag = RNI Daglig indtag Makronæringsstof calcium, RNI: Recommended daily nutrient intake UL: highest average daily nutrient intake level unlikely to pose risk of adverse health effects Giftigt stof bly, arsen, Gruppe RNI g/dag (WHO) UL g/dag (European commision) UL g/dag (IOM, US) 0 5 år år år Voksne (500) 1100 Gravide/amme nde Livstidspåvirkningen er vigtig 35

36 Skjoldbruskkirtel: jod Hvorfor så geologi? I i human ernæring vs. endokrinologi godt belyst I fra salt + I fra vand problem? Grund og drikkevand: <1 til >150 g/l I som iodid og org. bundet i drikkevandet Korrelation til marine aflejringer forklare høje indhold De lave indhold ikke forstået? Vi ved ikke meget om de biogeokemiske processer i jordbund/sedimenter (delvist pga. I analyser er vanskelige)

37 Tidligere jod studier VORES STUDIE Jod i grundvand (n=2562) i perioden fold variation Grundvand (Jupiter data) Hanevand fra hospitaler 37 Pedersen, 1999, Voutchkova, submitted

38 Tænder og knogler: Fluor Fluorid kommer fra drikkevand Alt for højt indtag af F som barn kan give knoglemisdannelser (ikke DK) Mere fluorid = færre huller i tænderne (1.500 ppm max.) Natrium flourid (NaF), tin flourid (SnF 2 ) og natrium monoflourfosfat (Na 2 PO 3 F) bruges i tandpasta imod caries. H 2 SiF 6 og NaF tilsættes ofte drikkevand i USA til ca. 1 ppm Grænseværdier for F i drikkevand US: MCL = 4 mg/l, DK: 1,5 mg/l Baird & Cann, 2008; Ugeskrift Læger 172/15, s. 1100; Skinner, 2005 G02 38 Fluorose (I DK normalt kun som hvidlig misfarvning af tænder) skyldes for højt indtag af fluor mens de blivende tænder udvikles (kritisk alder 1 4 års, >8 år ingen risiko) Indtag af F giver udfældning af fluorapatit (og ikke kun hydroxylapatit), så børn <7 8 år har gavn af indtag af F (inkl. Ca!) Voksne kun if. med F s kontakt med tænderne hvor F substituere med OH i hydroxylapatit, så det kommer til at virke bakteriedræbende. Ingen entydig sammenhænge mellem F i drikkevand og incidensen af osteoporose

39 Tænder og knogler: Fluor G02 39 Grænseværdi drikkevand (>1,5 39 mg F pr. liter) Arvin m.fl., 2010