Bevezetés
Az Egyesült Nemzetek Szervezete a 2019-es évet a Periódusos Rendszer Nemzetközi Évének nyilvánította, hiszen ekkor ünnepeljük a Mengyelejev-féle periódusos rendszer közzétételének (1869) 150 éves évfordulóját. Dmitrij Ivanovics Mengyelejev (1834–1906) orosz kémikus az ismert elemeket még atomtömeg alapján rendezte; a napjainkban elterjedt, úgynevezett hosszú periódusos rendszer azonban már az elemek elektron- szerkezetének törvényszerűségeit tükrözi (Atkins, P. W. 1995, Greenwood, N. N. – Earnshaw, A. 2004, Whitten, K. W. et al. 2014, Varga A. 2019).
A periódusos rendszert nemcsak kémiai szempontból fontos ismernünk, hanem számos földtudományi kérdéskör (pl. ásványok összetétele, mállás, érctelepek képződése, természetes vizek kémiai összetételét meghatározó folyamatok, megújuló energiaforrások hasznosítása) magyarázatakor is segítségül hívhatjuk. Eredményesen használható az elemek és a belőlük képződő vegyületek kémiai tulajdonságainak megértésekor, így a földtudományok kémiai alapjait sem érthetjük meg előzetes tárgyalása nélkül (White, W. M. 2002, Gill, R. 2015). Ennek megfelelően kapott helyet a Szegedi Tudományegyetem földtudományi képzéseiben (földrajz alapszak, földtudományi alapszak, földrajztanár szak) az általános és szervetlen kémiai háttérismeret bemutatásakor (Varga A. 2019). A komplex természettudományos szemlélet kialakításához a földrajztanításba is becsempészhető a kémia, jelen tanulmány ehhez szeretne néhány egyszerű ötletet adni.
Elemi földrajz – földrajzi vonatkozású elemnevek
A természetben előforduló és a mesterségesen előállított elemek az atommagjukban található protonok száma, azaz a rendszám (jele: Z) szerint sorba rendezhetők. Az elem tehát azonos rendszámú atomok halmaza. Az elemeket a latin vagy görög nevükből származó rövidítéssel, a vegyjellel jelöljük. A középkorban még csak kilenc elemet ismertek (arany, ezüst, réz, ón, ólom, higany, vas, kén és szén), amelyeket többnyire valamelyik jellemző tulajdonságukról neveztek el; pl. arany, Au – aurum: sárga; ezüst, Ag – argentum: fénylő; réz, Cu – cuprum: ciprusi; ólom, Pb – plumbum: nehéz; higany, Hg – hydrargyrum: ezüstös víz (Atkins, P. W. 1995, Whitten, K. W. et al. 2014). Ma már 118 az ismert elemek száma, és majdnem pontosan egynegyedüknek neve földrajzi vonatkozású. Mengyelejev munkásságának emléket állítva a 101-es rendszámú mesterségesen előállított elemet (Md: mendelévium) róla nevezték el (White, W. M. 2013).
Európa földrajzának tanításakor – házi vagy szorgalmi feladatként, csoportmunkában szakköri vagy fakultációs foglalkozáson, természettudományos témahéthez kapcsolódva – érdemes kitérni a „periódusos birodalom” földrajzára, hiszen a fenti táblázatban szereplő 30 elemnévből Európa szolgáltatta a legtöbbet. Maga a kontinens is névadó (európium), de egyes országai (pl. Németország – germánium), tartományai (pl. moszkvai régió – moszkóvium), városai (pl. Ytterby – ittrium), sőt egy folyója (Rajna – rénium) szintén megtalálható a nevek sorában. A periódusos rendszer és egy térkép segítségével a föld- rajzi nevek és a róluk elnevezett elemek könnyen összepárosíthatók.
Technológiai kihívások a 21. században: a ritkaföldfémek
A földrajzi vonatkozású elemnevek eredetét tanulmányozva érdemes kiemelni Ytterby svéd várost, hiszen nevéhez négy elem is köthető: az átmenetifém ittrium (Y), valamint a ritkaföldfém terbium (Tb), erbium (Er) és itterbium (Yb). Kémiai és geokémiai értelemben ezek hasonló tulajdonságú, rokon elemek. Az Y és a szkandium (Sc) mellett a lantánt (La) követő 14 elem – ezüstös színű vagy halvány- sárga, viszonylag puha fémek –, a lantanidák (Ce: cérium, Pr: prazeodímium, Nd: neodímium, Pm: prométium, Sm: szamárium, Eu: európium, Gd: gadolínium, Tb: terbium, Dy: diszprózium, Ho: holmium, Er: erbium, Tm: túlium, Yb: itterbium, Lu: lutécium) együtt alkotják a ritkaföldfémek tágabb csoportját (Greenwood, N. N. – Earnshaw, A. 2004, White, W. M. 2013, Whitten, K. W. et al. 2014, Varga A. 2019). Ezek az elemek sokáig a kémiában is háttérbe szorultak, a 21. század technológiai kihívásai, a megújuló energiára épülő energiaszektor fokozatos térhódítása azonban egyértelművé tette fontosságukat (Dobosi G. – Török K. 2012; Braun T. 2018; Perry, E. P. – Gysi, A. P. 2018).
A ritkaföldfémek általában nyomnyi mennyiségben (összesen néhány 10–100 g/t) fordulnak elő a földkéregben – részben erre utal az összefoglaló nevük –, valójában azonban nem ritka elemek, csak nem alkotnak olyan önálló ásványokat, amelyek a gyakori kőzetekben feldúsulnának (Harangi Sz. et al. 2003, 2013). Átlagos gyakoriságukat jól jelzi, hogy a ritkaföldfémek gyakoribbak a földkéregben, mint az ezüst, közülük a lantán és a cérium gyakorisága még a rézét is meghaladja. Ez alól egyedül a prométium a kivétel, mert ez nem fordul elő a természetben. Számottevő mennyiségben az urán maghasadása során képződik, ezért a nukleáris reaktorok kiégett fűtőanyagában található meg (Dobosi G. – Török K. 2012, Braun T. 2018).
A ritkaföldfémek gazdasági jelentősége
A ritkaföldfémek felhasználása sokrétű, több iparágazatban – pl. energetika, fémipar, mikroelektronika, hadiipar, akkumulátor- és katalizátorgyártás, üveggyártás és kerámiaipar – kulcsszerepet tölt be ez az elemcsoport, mint olyan nyersanyag, ami jelen- legi ismereteink szerint mással nem helyettesíthető. A plazma- vagy LCD-kijelzők (pl. monitor, TV-képernyő) világító képpontjaihoz ritkaföldfém-vegyületekre van szükség (pl. vörös képpont: európium). Az energiatakarékos lámpákban, LED-ekben szintén a ritkaföldfémek fluoreszcens tulajdonságát hasznosítják. További felhasználási terület az optikai kábelek és a lézerek gyártása. A legerősebb permanens mágnesek előállí- tásához is ritkaföldfém-ötvözetekre van szükség. Segítségükkel valósult meg számos elektronikai alkatrész (pl. merevlemezek, DVD-lejátszók, hangfalak) miniatürizálása. Neodímium-mágneseket legnagyobb mennyiségben a szélturbinák generátoraiban használnak fel (Dobosi G. – Török K. 2012, Braun T. 2018).
Gazdasági szempontból jelentős, azaz ércnek tekinthető ritkaföldfémtelepek speciális magmás előfordulásokhoz kapcsolódnak (pl. Bayan Obo és Maoniuping, Kína; Strange Lake, Kanada; Mountain Pass és Bear Lodge, USA; Olympic Dam, Ausztrália). Az ismert készletek jelentős része Észak-Amerikában, Afrikában (Namíbia, Malawi, Dél-Afrika), Ausztráliában és Délkelet-Ázsiában van. A Bayan Obo-érctelep a Föld legnagyobb ismert ritkaföldfém-telepe, ezért nem meglepő, hogy a világtermelés közel 97%-a Kínához kötődik (Dobosi G. – Török K. 2012, Perry, E. P. – Gysi, A. P. 2018). A másodlagos ritkaföldfémtelepek a mállás, illetve az azt követő üledékfelhalmozódás eredményeként jönnek létre (pl. torlatos dúsulás). Az úgynevezett ionadszorpciós telepek (Kína) olyan másodlagos felhalmozódások, amelyek magmás kőzetek (elsősorban gránit) mállása során képződnek. Ennek során a gránit elsődleges ásványai (pl. földpátok, csillámok, cirkon, monacit, apatit) átalakulnak, részben feloldódnak, amit a ritkaföldfémek felszabadulása kísér. A mállástermékben található agyagásványok – a rétegszilikátok egyik csoportja – képesek a felületükön megkötni, azaz adszorbeálni a ritkaföldfémeket (Dobosi G. – Török K. 2012).
Magyarországon nem ismert természetes ritkaföldfém-dúsulás, azonban a timföldgyártás melléktermékeként keletkező vörösiszapban feldúsulnak ezek az elemek, az ionadszorpciós telepekhez hasonlóan elsősorban adszorbeált formában, és gyenge savak segítségével kioldhatók. Az előzetes vizsgálati eredmények szerint a rétegszilikátokon megkötődött ritkaföldfémek mintegy 60%-a mobilizálható a vörösiszapból (Dobosi G. – Török K. 2012), ezért napjainkban kiemelt szerepet kapnak a gazdaságos kinyerésüket célzó kutatások (pl. Vígh Cs. et al. 2016, M. Tóth T. et al. 2018).
Ritkaföldfémek a földtudományokban: geokémiai jelentőség
A ritkaföldfémek földtudományi jelentőségét már a 20. század végén felismerte a modern geokémia (Harangi Sz. et al. 2003). Ezek az elemek általában nem alkotnak önálló ásványt, hanem helyettesítő nyomelemként lépnek be gyakori és kőzetalkotó ásványok (pl. gránát, földpátok) kristályrácsába, ahol a hasonló ionméretű kalciumot vagy nátriumot helyettesítik. A ritkaföldfémek töltése általában +3, az azonos töltés és a hasonló ionsugár miatt a természetes rendszerekben mindig együtt fordulnak elő. A viszonylag nagy töltés miatt a ritkaföldfémek a vizes oldatokban kevéssé oldódnak, gyakran szilárd fázisokon (pl. a talajt alkotó komponensek) megkötődnek, ezért geokémiai szempontból immobilisnak tekinthetők. A ritkaföldfémek földtörténeti léptékben is felhasználhatók
az egykori geológiai folyamatok feltárására, képződmények közötti rokonság bizonyí- tására (geokémiai korreláció). Eredményesen alkalmazhatók a magmás folyamatok (pl. olvadékképződés) nyomon követésére, sőt a törmelékes üledékes rendszerekben (pl. agyagkő, homokkő) a szemcsék eredetének meghatározására is (Harangi Sz. et al. 2003, 2013, 2015, Dobosi G. – Török K. 2012, White, W. M. 2013, Mészáros E. et al. 2019, Varga A. 2019). A genetikai információk feltárásához leggyakrabban speciális viszonyítási alap segítségével szerkesztett geokémiai elemeloszlási diagramokat használnak fel, erre mutat példát a következő ábra.
Oldott ionok mozgása és megkötődése a mállás során – egyszerű kémiai kísérletek földrajzi megközelítésben
A málláshoz kapcsolódóan a másodlagos ásványok képződése nem csak a ritkaföldfémek telepszerű dúsulásáért felelős, fontos szerepet tölt be a talajzóna és a természetes vizek kémiai összetételének befolyásolásában is. A víz és a vízzel érintkező szilárd anyag között ugyanis speciális agyagmozgási (diffúzió), továbbá megkötődési folyamatok (pl. adszorpció, ioncsere) játszódhatnak le (Hetényi M. 1999, Bárány S. et al. 2011, Varga A. 2019). Ezek a folyamatok a köznapi életünkben is jelen vannak, ezért felismerésük a természettudományos világkép kialakításához és az összefüggések elmélyítéséhez nélkülözhetetlen.
Az alábbiakban a fogalmak rövid meghatározását követően olyan egyszerű kísér- letek leírása következik, amelyeket a földrajz tanítása során be lehet építeni az ismeretek átadásakor (pl. 9. osztály: a vízburok földrajza – vízszennyezés, felszín alatti vizek, a vizek öntisztulása; a Föld szerkezete és folyamatai – érctelepek keletkezése, a talaj). Az önálló megfigyelésen keresztül ezek a kísérletek gondolkodásra késztetnek. Az ok-okozati összefüggések megfogalmazásával az elsajátított ismeretek maradandóbbak lesznek, ami a földrajzoktatásban is alapvető cél (Farsang A. 2014). Mind a diffúzió, mind az adszorpció jelensége veszélytelen és könnyen beszerezhető anyagok segítségével egyszerűen szemléltethető. A javasolt vizsgálatok többsége akár otthon is elvégezhető.
A diffúzió
A diffúzió mint anyagmozgási folyamat a részecskék (pl. atomok, molekulák, ionok) hőmozgás következtében kialakult, önálló mozgását jelenti gázokban (pl. légköri folyamatok; illatanyagok terjedése a mindennapokban), folyadékokban (pl. szennyeződések terjedése felszíni vagy felszín alatti vizekben) és szilárd anyagokban. Ez utóbbi esetben a diffúzió jóval lassabb folyamat, ami többnyire a szilárd anyagot tagoló határfelületek mentén játszódik le (pl. ásványok érintkezési határa egy kőzetben; hasadási síkok vagy ikerhatárok egy ásványon belül; törések, repedések), szerepe azonban megkerülhetetlen a szilárd fázisú átalakulási folyamatokban (pl. metamorf átkristályosodás). A diffúziós anyagáramot nem külső hatás (pl. légáramlat vagy keverés) hozza létre, hanem önként indul be, ha az adott rendszer különböző részein legalább egy összetevő koncentrációjában eltérés van. A diffúzió irányát tekintve a nagyobb koncentrációjú helyekről a kisebb koncentrációjú helyek felé irányul. A mozgás sebessége függ a hőmérséklettől (magasabb hőmérsékleten gyorsabb a részecskék hőmozgása), valamint arányos a koncentráció különbségével. Ha elegendően hosszú idő áll rendelkezésre, az anyag részecskéi minden irányba egyforma valószínűséggel mozognak, idegen szóval diffundálnak mindaddig, amíg az összetevők eloszlása homogén nem lesz (Bárány S. et al. 2011, Gill, R. 2015, Varga A. 2019).
Vizsgálatok a diffúzió szemléltetésére
1. vizsgálat
Anyagszükséglet: átlátszó, színtelen edény (pl. pohár, kancsó, főzőpohár), víz, teafilter.
A vizsgálat menete: óvatosan helyezzünk egy teafiltert a pohárba vagy kancsóba töltött víz felszínére úgy, hogy az ne süllyedjen le! Figyeljük meg a változást!
Időszükséglet: 3–5 perc.
Rövid értelmezés: a vízzel érintkezve a teafilterben található színanyagok beoldódnak a vízbe, a kialakuló koncentrációkülönbség pedig azonnal beindítja a diffúziós anyagáramlást.
2. vizsgálat
Anyagszükséglet: átlátszó, színtelen pohár, tömény szörp (cukorszirup), víz
A vizsgálat menete: öntsünk a pohárba kb. egy ujjnyi tömény szörpöt, majd nagyon óvatosan csorgassunk rá vizet úgy, hogy lehetőleg ne történjen keveredés! Ehhez célszerű a szörpöt tartalmazó poharat kissé megdönteni, és a vizet lassan, vékony sugárban a pohár belső falára csorgatni. Tegyük félre a poharat, majd vizsgáljuk meg a határfelület jellegét 1–2 óra, 5 óra, majd egy nap elteltével!
Időszükséglet: az összeállítás néhány perc, a megfigyelés a várakozás miatt időigényes.
Rövid értelmezés: a kiindulási éles határfelület először kiszélesedik, elmosódott lesz (innen származik a „diffúz határ” kifejezés), majd teljesen eltűnik, a rendszer homogenizálódik.
Az adszorpció
Az adszorpció gáz (gőz), folyadék, illetve finoman eloszlatott, azaz diszpergált szilárd összetevő megkötődése egy szilárd anyag (az úgynevezett adszorbens) felületén. Az adszorpció önként lejátszódó felületi jelenség, ami lehet tisztán fizikai jellegű (fizikai adszorpció vagy fiziszorpció), amikor gyenge másodrendű kötőerők lépnek fel a szilárd felület és a megkötött anyag részecskéi között; illetve kémiai jellegű (kémiai adszorpció vagy kemiszorpció), amikor a felületen kémiai reakció is lejátszódik. Az adszorpció álta- lában megfordítható folyamat, ellentétje a deszorpció, amikor az adszorbens felületéről távozik a megkötött anyag (Bárány S. et al. 2011, Varga A. 2019).
Az adszorpcióhoz szükséges szilárd anyag nagy aktív felülettel rendelkezik, gyakran porózus, lyukacsos szerkezetű. Az iparban ilyen a szilikagél (mesterségesen előállított szilícium-dioxid változat) vagy az aktív szén. A talajban, illetve az élővizek lebegő hordalékában hasonló tulajdonsággal rendelkeznek bizonyos alaktalan (amorf) vagy kristályos szervetlen vegyületek (pl. Fe3+– és Mn4+-oxidok és -hidroxidok, duzzadó agyagásványok, zeolitok). Az adszorpció egyik speciális esete az úgynevezett ioncsereadszorpció vagy röviden ioncsere, amikor az oldat egyik ionja helyet cserél a szilárd felület valamelyik hasonló töltésű ionjával. Az ioncserének komoly szerepe van a vízlágyításban, a víz sómentesítésében, továbbá a nehézfém- és radioaktív ionok vizekből és talajból történő eltávolításában. Bizonyos agyagásványok (pl. az ún. szmektitek) kiváló ioncserélő képességűek. A szmektitek kristályrácsának rétegközi terében cserélhető kationok (pl. Na+, Ca2+, Mg2+) és víz helyezkedhet el (Hetényi M. 1999, Bárány S. et al. 2011, Varga A. 2019). A köznapi életben szintén találkozhatunk ilyen anyagokkal: nedvességmegkötő tulajdonságukat a háztartásban és a gyógyászatban is hasznosítják.
Vizsgálatok az adszorpció szemléltetésére
1. vizsgálat
Anyagszükséglet: 2 db átlátszó, színtelen pohár, szűrőkarika-állvánnyal, tölcsér, szűrőpapír, keverőkanál (vagy üvegbot), porított orvosi széntabletta, színes vizes oldat (pl. ételfestékkel megfestett víz, gyümölcstea)
A vizsgálat menete: öntsünk egy pohárba kb. kétujjnyi színes oldatot, tegyünk bele kb. 2–4 elporított széntablettát, és jól keverjük fel! Egy óra elteltével szűrjük le az aktív szenes oldatot (szuszpenziót)! Figyeljük meg a szűrletet, és értelmezzük a lejátszódott jelenséget!
Időszükséglet: az összeállítás néhány perc, a várakozás miatt kissé időigényes kísérlet.
Rövid értelmezés: a szűrést követően kapott oldat halvány színű, vízszerű folyadék lesz. Az aktív szén megkötötte a színes oldatból a színanyagokat, adszorpció ment végbe.
2. vizsgálat
Anyagszükséglet: 2 db átlátszó, színtelen pohár, keverőkanál (vagy üvegbot), 1 tasak „Smecta”, színes vizes oldat (pl. gyümölcstea)
A vizsgálat menete: az egyik pohárba töltsünk gyümölcsteát, a másikba szórjuk bele a Smecta-tasak tartalmát, ami gyakorlatilag nagy tisztaságú agyagásvány (szmektit)! Az agyaghoz keverjünk kb. 5 teáskanál gyümölcsteát, hogy közepes sűrűségű szuszpenziót kapjunk! Egy óra elteltével figyeljük meg a szuszpenziót! Hasonlítsuk össze az agyagos szuszpenzió felett elhelyezkedő oldat színét a kiindulási gyümölcstea színével!
Időszükséglet: az összeállítás néhány perc, a várakozás miatt kissé időigényes kísérlet.
Rövid értelmezés: a felkevert szuszpenzióból kiülepedik az agyag, ami megköti az oldatból (gyümölcstea) a színanyagokat. Az így keletkezett új oldat ezért szinte vízszerű lesz.
