11.3.2013
1
2. Okolisastavnice, procesi, temeljna ekoloka naela
Tema poglavlja 2. Bilanca sunevog zraenja i njegova uloga u prirodi Osnovna kemijska i fizikalna svojstva vode i njihova uloga u prirodi; Abiotiki ekoloki initelji (uloga i znaaj svjetlosti, topline, vode,
vlage, atmosferskih i otopljenih plinova, hranjivih tvari i strujanja) Biotiki ekoloki initelji (odnosi meu vrstama i populacijama); Terminologija: kapacitet okolia, ograniavajui initelj razvoja;
bioloka raznolikost, prirodna ravnotea Metabolizam ekosustava tok energije i kruenje tvari ekosustavom Naini razgradnje organske tvari s obzirom na dostupnost kisika Biogeokemijski ciklusi nutrijenata (ugljika, duika i fosfora) Ekoloke sukcesije
11.3.2013
2
2.1 Energija sunca
Energija sunca osnovni pokreta svih biolokih procesa na zemlji. S obzirom na valnu duinu, za razvoj ivota na Zemlji, vana su tri
podruja sunevog zraenja koja dospijevaju na zemlju:o ultra-ljubiasto podruje (UV), 0.1-0.38x10-6 m,o vidljivo podruje (VIS), 0.38-0.75x10-6 m,o infra-crveno podruje (IR), 0.75-3x10-6 m. Unutar ovog spektra se nalazi veina energije sunevog zraenja.
Prosjeno samo polovica energije koja stigne na gornju granicu atmosfere (342 W/m2) dospijeva na Zemlju.
BILANCA SUNEVOG ZRAENJA NA PROLAZU KROZ ATMOSFERU(znaajna jer o njoj ovisi temperatura na Zemljinoj povrini)
Energija sunca
Koliina energije koju apsorbira atmosfera ovisi o koncentraciji pojedinih plinova (tzv. staklenikih plinova).
11.3.2013
3
Ukupna energija koja se apsorbira na zemljinoj povrini troi se na:o latentnu toplinuo senzibilnu toplinuo dugovalno zemljino zraenjeo fotosintezu Latentni toplinski tok energija se troi na prijelaz vode iz jednog
u drugo fazno stanje, iz vode u vodenu paru (evaporacija ili isparavanje) ili iz leda u vodenu paru (sublimacija).
Senzibilni toplinski tok izmjena topline se vri konvekcijom i kondukcijom uslijed razliitih temperatura Zemlje i zraka. Vei dio energije se prenosi konvektivno (strujanjem fluida) kada se zagrijani zrak vertikalno uzdie u atmosferi te prenosi energiju u vie slojeve. Manji dio energije se prenosi i kondukcijom (prijenosom kinetike energije izmeu molekula).
Dugovalno zemljino zraenje direktno toplinsko zraenje sa Zemlje.
Fotosinteza utroak energije u procesu fotosinteze je relativno malen u odnosu na ukupnu bilancu sunevog zraenja (oko 1%),
Energija sunca
Zemlja sunevo kratkovalno zraenje pretvara u Zemljino dugovalno zraenje. Koliina energije koja stigne na Zemlju je jednaka koliini energije vraene nazad u svemir (ako to nije tako Zemlja se zagrijava).
Sunce je osnovni izvor energije koji pokree procese unutar pojedinih sfera i interakcije izmeu pojedinih sfera. Rezultat tih procesa i interakcija je toplina koja se vraa nazad u svemir.
Energija sunca
11.3.2013
4
2.2. Osnovna svojstva vode
Hidrosfera vodena sfera koju sainjavaju sve vode na Zemlji u sva tri fazna stanja: vrstom stanju (led), kapljevitom ili tekuem stanju, plinovitom stanju (vodena para)
2.2.1. Molekularna struktura vode
Voda ima egzistencijalnu ulogu u prirodi, odnosno moe se rei da su jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva koja ima voda omoguili nastanak ivota na Zemlji.
Molekula vode je polarna.
11.3.2013
5
Molekule vode se meusobno spajaju vodikovom vezom te formiraju nakupine ili klastere molekula.
Veze privremene i vrlo brzo pucaju zbog velike kinetike energije molekula (prosjena veza traje nekoliko mikrosekunda).
U sluaju leda je molekularna geometrija neto drukija jer se atomi spajaju pod kutom od 109, te je svaki atom kisika okruen uvijek s etiri atoma vodika (tetraedarska prostorna struktura).
Vodikova veza
Klaster molekula vode
Molekularna struktura vode
Jedno od najvanijih svojstava vode je disocijacija (ionizacija):H2O H+ + OH-
Svojstvo disocijacije i sposobnost molekule vode da uspostavlja vodikove veze s bliskim molekulama uvjetuje neka vana fizikalna i kemijska svojstva vode koja su kljuna za ivi svijet:
o sposobnost otapanja tvari (bolje otapa tvari od mnogih drugih tekuina, otapa jednako ionske i molekularne spojeve koji su polarni ili sadre polarne grupe),
o negativni volumen taljenja (led je laki od vode i pliva na njoj),o maksimum gustoe u normalnom rasponu postojanja tekue faze (pri
atmosferskom tlaku, voda ima maksimalnu gustou na 3.98C),o velika povrinska napetost,o veliki specifini toplinski kapacitet, o nain apsorpcije elektromagnetskog spektra, o itd.
Molekularna struktura vode
11.3.2013
6
2.2.2. Kemijska svojstva vode
Ovisno o koncentraciji vodikovih iona, voda moe biti kisela, neutralna ili lunata.
ista voda je neutralna, odnosno pri temperaturi od 25oC je pH=7. Vijednost pH-faktora neutralne vode ovisi o temperaturi (npr pri
temperaturi od 0oC voda se smatra neutralnom ako joj je pH=7.97). pH vrijednost je vana jer utjee na topivost pojedinih tvari u vodi.
Topivost pojedine tvari u vodi ovisi o polaritetu njenih molekula. Polarne molekule, a posebno ioni, su topive u vodi. Molekule bez polariteta su netopive u vodi.
Tvari koje su topive u vodi nazivaju se hidrofilnim tvarima, dok one koje nisu topive u vodi se nazivaju hidrofobnim tvarima.
Hidrofilne tvariNaCl Urea
Hidrofobna tvar(ugljikovodik)
Kemijska svojstva vode
11.3.2013
7
Direktna posljedica sposobnosti otapanja tvari kemijska svojstva vode se mijenjaju tijekom ciklusa kruenja vode u prirodi (hidrolokog ciklusa):
o prolaskom oborina kroz atmosferu (otapaju se ili raspruju plinovi i estice aerosola),
o teenjem po tlu (otapaju se ili ispiru estice tla i organske tvari),o procjeivanjem kroz podzemlje (otapaju se minerali ili se
proiava). Sastav otopljenih iona u vodi ovisi o:o sastavu atmosferskih estica (npr. morska sol, praina, antropogeni
plinovi),o intenzitetu evapotranspiracije (isparavanjem se poveava
koncentracija otopljenih tvari u vodi i utjee na kemijske procese), o mineralnom sastavu i reimu troenja stijena (vode koje prolaze kroz
lako topive minerale ili koje su due u kontaktu s mineralima imaju vee ionske koncentracije),
o sastavu organske tvari i biolokim procesima u tlu i vodi.
Kemijska svojstva vode
Kemizam otopljenih tvari u kopnenim vodama iroko varira ovisno o klimatskim uvjetima, geografskom poloaju, antropogenim utjecajima, sastavu tla i kontinentalne kore, itd.
Od posebne vanosti je proces otapanja ili troenja kontinentalne kore (kationi koji prevladavaju u kontinentalnoj kori prevladavaju takoer i u kopnenim vodama, premda je sastav potpuno razliit):USPOREDBA PROSJENOG SASTAVA GLAVNIH KATIONA U KONTINENTALNOJ KORI I U RIJENIM VODAMA:
Kemijska svojstva vode
11.3.2013
8
Kemizam otopljenih tvari u vodi je praktino odreen s etiri metala koji su prisutni u obliku kationa: Ca2+ Na+ K+ i Mg2+.
U vodi se jo nalaze Fe, Al, Mn, te u mnogo manjim koncentracijama (tragovima) i Zn, Cu, Co, itd.
Od nutrijenata, u vodi se mogu pronai P, N, Si te otopljena organska tvar.
Koncentracije pojedinih elementa ili njihovi teinski odnosi ukazuju na relativnu vanost pojedinih procesa u definiranju kemijskog sastava vode. Npr.:
o prisutnost natrija ukazuje na utjecaj morske soli,o prisutnost kalcija, kalija i magnezija ukazuje na proces troenja
stijena,o vode koje sadre male koncentracije iona teku uglavnom kroz slabo
topive stijene, o vode koje sadre velike koncentracije iona teku uglavnom kroz
topive stijene ili je doprinos evaporacije vrlo velik, o
Kemijska svojstva vode
KLASIFIKACIJA NEKIH VODNIH RESURSA NA OSNOVU KEMIJSKOG SASTAVA VODE
Kriterij: koncentracija Na+ Ca2+
Padaline dominiraju ako vode sadre male koliine otopljenih soli gdje su znatno vee koncentracije Na+ nego Ca2+
Troenje dominira ako vode sadre znatno vee koncentracije Ca2+ nego Na+.
Isparavanje dominira ako vode sadre velike koliine otopljenih soli gdje su znatno vee koncentracije Na+ nego Ca2+
Kemijska svojstva vode
11.3.2013
9
Salinitet mjera stupnja slanosti vode u morima ili na uima rijeka u more, a u funkciji je ukupne teine soli otopljenih u odreenoj koliini vode (obino se izraava u promilima).
GLAVNE SOLI U MORSKOJ VODI
Kemijska svojstva vode
Topivost plinova u vodi ovisi o:o molekularnim karakteristikama samog plina,o parcijalnom tlaku plina u dodiru s vodom,o temperaturi vode,o koliini otopljenih soli u vodi. Plinovi koji se slabo otapaju u vodi su npr.: N2, O2, H2, CH4 i O3 Plinovi koji se dobro otapaju su npr.: SO2, CO2 i Cl2. Laka topivost klora u vodi omoguava njegovo koritenje u
dezinfekciji vode. Lako otapanje CO2 ima za posljedicu kiselost kinice (lagana kiselost
kinice je normalna i rezultat je prirodnih procesa).
Kemijska svojstva vode
11.3.2013
10
Parcijalni tlak nekog plina unutar promatranog volumena je jednak tlaku koji bi taj plin stvarao kad bi se sam nalazio u tom volumenu (ukupni tlak je jednak sumi parcijalnih tlakova):
Kod idealnih plinova su omjeri parcijalnih tlakova jednaki omjeru molekularnih koncentracija (mol/l), npr.:
Parcijalni tlak se moe izraziti kao:
nppppp ...21
nn
ppx iii
Relativni udio promatranog plina u ukupnoj molekularnoj koncentraciji mjeavine
Broj molekula promatranog plina u litri mjeavine
Ukupni broj molekula u litri mjeavine
pxp ii
Kemijska svojstva vode
Npr. ukupni tlak zraka je jednak sumi parcijalnih tlakova svih plinova koji se nalaze u zraku:
Parcijalni tl
