Naturressourcers kemi

Kursusindhold

Kursets formål er at give den studerende et basalt men solidt kendskab til bio-relaterede naturressourcers kemi med henblik på at kunne forstå og analysere centrale problemstillinger for menneskets bæredygtige udnyttelse af disse (jord, vand, atmosfære, plantenæringsstoffer, planter, dyr, mikroorganismer samt natur- og landbrugsprodukter). Især tre aktuelle miljøproblemer inddrages: biokemisk dannelse af drivhusgasser, eutrofiering og forurening med organiske miljøfremmede stoffer.

Efter to ugers generel introduktion fortsættes kurset med fem uger der undervises case-baseret. De fem cases er:

1: Makronæringsstoffers forbindelser og stofkredsløb, herunder klimapåvirkning og eutrofiering.

2: Fedt og olie: biokemisk energi, essentielle molekylære næringstoffer og akkumulering af miljøgifte.

3: Kemisk ligevægt i organismer og miljø & jordens kemi som basis for plantevækst og miljø: Ligevægte (bufring og opløselighed), jordmineralers struktur og egenskaber, gødning, planters optag af næringsioner og samspillet med opløselighed og pH.

4: Biologisk elektrokemi og termodynamik. Vi genbesøger redox-reaktionerne fra case 1 med kvantitative udtryk, og bliver på den måde i stand til at forstå levende cellers energiudbytte af redox-reaktioner og betingelser der fremmer dannelse af drivhusgasser. Vi bruger strukturer fra case 2 og 3 til at forstå de basale strukturer som tillader celler at høste denne energi. Vi udvider begreberne fra elektrokemi til alle kemiske reaktioner og ligevægte i den generelle termodynamik. 

5: Biologiske molekyler og organiske miljøgifte: struktur, egenskaber, biologisk funktion af biomolekyler, kemisk basis for biologisk nedbrydelighed.

Kursets laboratoriedel indgår som en integreret del af de fem cases, og skal give et praktisk, personligt oplevet kendskab til naturressourcers kemi. Laboratoriedelen har som supplerende formål at give den studerende tryghed og glæde ved at arbejde sikkert og omhyggeligt i et kemisk laboratorium.

Kurset afsluttes med en uge til repetition og afrunding inden eksamensugen.

 

De to introduktionsuger sigter på opnåelse af udenads-paratviden om: atomers struktur og interaktion med lys, det periodiske system, Lewis-teori for kemisk binding, hovedtyper af kemiske forbindelser, tilstandsformer (gas/væske/fast stof), blanding og opløselighed, stofmængdemål, koncentrationsmål, kemiske reaktionstyper, støkiometri, syrer og baser (Brøndsted-definition), uorganisk nomenklatur og kemisk ligevægt. Der lægges vægt på stofkendskab med hovedvægt på udvalgte grundstoffer: H, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Zn, Al, C, Si, N, P, O, S, Se, F, Cl, He og deres naturlige forbindelser med betydning som naturressourcer (ioner, mineraler, simple molekyler). Den generelle atommodel forbindes desuden med moderne grundstofanalyse, og den generelle molekylteori forbindes med moderne massespektrometri af organiske molekyler. Intro-ugerne sigter også mod at at give rutine i simple beregninger relateret til emnerne.

Case 1 sigter på at belyse diversitet, struktur, reaktivitet og biologisk betydning af udvalgte jordbundskemiske og biokemiske forbindelser med fokus på de enkelte makronæringsstoffers karakteristika og stofkredsløb. Stofkredsløbs klimapåvirkning indgår som et af flere eksempler. Laboratorieforsøget har fokus på N og omfatter Kjeldahl-analyse (incl. titrering), betydning af pH for ligevægten mellem ammoniak og ammonium og dermed for Ns flygtighed, opløselighed og fældning, og kompleksdannelse med metalioner. Forsøget giver også den første praktiske anvendelse af beregning af koncentration, stofmængde og korrekt omgang med enheder og betydende cifre.

Case 2 introducerer biokemiske naturressourcer med én af de vigtigste af disse: fedtstoffer. Sammenhængen mellem kemisk struktur og biologisk funktion studeres, og to vigtige analysemetoder til kvalitetsbestemmelse af fedt og olie udføres i praksis (iodtalsbestemmelse og fedtsyreprofil). Miljøkemi inddrages i form af fedtopløselige miljøgifte. Den nødvendige teoretiske basis for det teoretiske pensum og laboratorieforsøget omfatter udvalgte funktionelle gruppers reaktioner, non-kovalente kemiske bindinger, octanol-vand fordelingskoefficienten Kow og afstemning af redox-reaktioner. Laboratorieforsøget styrker kendskabet til titrering og redox-kemi og introducerer en moderne instrumentel metode: gaskromatografi.

Case 3 omfatter jordbunds- og biokemiske problemstillinger hvori begrebet kemisk ligevægt er centralt. Generelle beregningsmetoder til analyse af ligevægtsproblemer gennemgås, og anvendes på fænomenerne bufring og opløselighed. Som eksempler bruger vi kemiske ligevægte i jord og vand: opløselighedsligevægte for fosfater, carbonater og metalioner, svage og stærke syrer og bufre. Laboratorieforsøget er fokuseret på fosfats jordbundskemi (kvantitativ analyse incl. UV-spektroskopi, fældning, bufferegenskaber), mens andre biologiske buffersystemer og fosfater studeres teoretisk. Vi ser også på jordens kemiske bestandele, herunder jorddannede bjergarter, lermineraler, humus og kalk, og studerer hvordan planters næringsoptag indgår i et samspil med alle de foregående temaer samt planterøddernes struktur og biokemiske egenskaber.

Case 4 genbesøger en række problemstillinger fra case 1-3. Vi introducerer en kvantitativ forståelsesramme for redox-reaktioner, som tillader os at forstå energiudbyttet fra vigtige redox-reaktioner i jord og sediment. Fra elektrokemisk teori kan vi forstå hvordan tilgængelighed af elektronacceptorer bestemmer dominerende redox-reaktioner i vigtige miljøer (jord, havbund og kovom), og hvilke kemiske reaktioner der kan fungere som energikilder for levende organismer. Forståelse af proteiner (case 1), lipider (case 2) og ligevægte og katalyse (case 3) giver baggrunden for at forstå de strukturer der tillader biologisk energiudnyttelse. Teoretisk udvides begreber og lovmæssigheder fra elektrokemi til den mere generelle termodynamiske teori, som en generel forståelsesramme for sammenhængen mellem kemisk ligevægt og biokemisk anvendelig energi. Vi bruger termodynamikkens begreb ”fri energi” til at forklare jordbundskemiske og biokemiske reaktioners retning og fundamentale biologiske lovmæssigheder. Laboratorieforsøget introducerer elektrokemiske målinger (Måling af reduktionspotential, Nernts ligning) og omfatter desuden reagensglasforsøg om kompleks-ioner og oxidation af metalioner.

Case 5 er fokuseret på biokemiske molekyler og organiske miljøgifte. Med udgangspunkt i case 2 udvides kendskabet til biokemiske funktionelle grupper og organiske forbindelser, herunder de biokemiske forbindelsers funktion og eksempler på kemiske egenskaber der karakteriserer miljøgifte. Den strukturelle introduktion til levende celler fra case 2-4 videreføres til en basal introduktion til cellers struktur og funktion (membraner, genetisk materiale og enzymer). Laboratorieforsøget giver en basal introduktion til organisk stofidentifikation og funktionelle gruppers kemi.

Engelsk titel

Natural Resource Chemistry

Uddannelse

Bacheloruddannelsen i naturressourcer

Målbeskrivelse

Kurset har fokus på bio-relaterede naturressourcer, som defineres som jord, vand, atmosfære, plantenæringsstoffer,, planter, dyr, mikroorganismer samt natur- og landbrugsprodukter. Kurset skal give et grundlæggende kendskab og paratviden om bio-relaterede naturressourcers kemi, herunder relevant kemisk teori og kemiske aspekter af vigtige miljøproblemer. Kurset skal dermed give forudsætninger for at udføre og fortolke simple kemiske beregninger, vurdere simple kemiske analyseresultater og redegøre for og diskutere kemiske processer og problemstillinger der relaterer sig til et forvaltnings-, forædlings-, dyrknings-, produktions-, sundheds- og miljøperspektiv på bio-relaterede naturressourcer.

I oversigten herunder er læringsmål der typisk vil indgå i skriftlig eksamensdel uden hjælpemidler markeret med ”(U)”. Et overordnet kvalitativt udenads-kendskab til alle læringsmål forventes dog uanset om eksamen/eksamensdelen er med eller uden hjælpemidler. Det overordnede udenadskendskab omfatter således f.eks. definitioner, støkiometri, ligevægtsudtryk og generelle kvalitative forhold, men omfatter ikke præcise fysiske konstanter, stofkonstanter, potentialer, talværdier af ligevægtkonstanter, overgangsmetallers præcise undergrupper, komplet prioriteringsrækkefølge for regler for oxidationstrin, undtagelser fra de generelle kvalitative opløselighedsregler, termodynamiske formler samt komplicerede formler for kvantitative sammenhænge til beregninger nævnt uden "(U)" i afsnittet "Færdigheder". 

Viden: Efter at have gennemført kurset forventes den studerende at kunne

- redegøre overordnet for kemiske, biologiske og økologiske aspekter af de fem emner behandlet i case-form: struktur og funktion af biologisk relevante N-, P- og C-forbindelser og deres reaktioner (herunder både uorganiske forbindelser og centrale biokemiske molekyler som triglycerider, aminosyrer, proteiner og DNA), jord-vand-gødning-bakterier-rødder som kemisk og biokemisk system samt kemiske aspekter af udvalgte miljøgifte, eutrofiering og dannelse af drivhusgasser (U).

- redegøre for grundlæggende kemiske teorier, love og begreber og eksempler på deres biologiske betydning inden for kursets jordbunds-, miljø- og biokemiske emneområder: atomer, kemisk binding, egenskaber og struktur af naturens almindeligste stoffer, kemiske reaktioner, kemisk ligevægt, og sammenhænge mellem kemisk ligevægt og energi (herunder elektrokemi og udvalgte aspekter af basal termodynamik) (U).

- redegøre for massevirkningsudtrykket for en generel kemisk reaktion og for udvalgte specialtilfælde: syrekonstant, opløselighedsprodukt, vands ionprodukt, octanol-vand fordelingskoefficienten Kow (U).

- redegøre for basale aspekter af udvalgte moderne miljø- og naturproduktkemiske analysemetoder (gaskromatografi, massespektrometri, atom-spektroskopi, UV-spektroskopi af molekyler).
- redegøre kvalitativt for atomers struktur, interaktion med lys, analysekemiske genkendelse, og tendens til kemisk binding (U).
- redegøre for opbygningen af det periodiske system (U).

- redegøre for makronæringsstoffer og deres placering i det periodiske system (U).

- redegøre for mikronæringsstoffer og deres placering i det periodiske system.
- genkende (dvs. angive navn for), redegøre for og kende biologiske eksempler på basale typer af kemiske reaktioner i naturressourcers kemi (syre-base, redox, dissociering, hydrolyse-kondensation, addition, substitution, elimination) (U).
- genkende, redegøre for og kende biologiske eksempler på de grundlæggende typer af kemisk binding og intermolekylære kræfter (U).
- genkende, redegøre for og kende biologisk/økologisk betydning af økologisk vigtige uorganiske forbindelser af silicium, kulstof, fosfor, nitrogen og svovl jvf. udleveret liste (U).
- genkende og redegøre for simple kulbrinter (U).
- genkende, redegøre for og kende biologiske eksempler på de almindeligste biokemiske funktionelle grupper og deres basale reaktioner (alkohol, ether, aldehyd, keton, carboxylsyre, ester, amin, amid) (U).

- redegøre for eksempler på strukturelementer i organiske forbindelser der kan medføre miljøkemiske problemer eller påvirke nedbrydelighed (U).
- genkende og redegøre for udvalgte molekyler og ioner, deres struktur, kemiske egenskaber og evt. basal biologisk funktion jvf. udleveret liste (U).

Færdigheder: Efter at have gennemført kurset forventes den studerende at kunne
- forudsige grundstoffers basale kemiske egenskaber ud fra placering i det periodiske system (U).
- opskrive reaktionsligning for opløsning af almindelige salte i vand (U)
- forudsige opløselighed af simple organiske forbindelser i vand og fedt og bruge denne information til at forudsige fysiologiske og miljøkemiske egenskaber (U).
- udføre simple beregninger af stofmængder, koncentrationer og masser (U).

- Beregne og forklare forskellen på generelle og monoisotopiske molekylmasser.
- opskrive netto-ionligninger for uorganiske reaktioner (U).
- udføre simple støkiometriske beregninger og opstille simple ligevægtsudtryk (U).
- regne med enheder (U).
- ud fra systematisk navn opskrive strukturformel for simple organiske molekyler og omvendt (alkaner, alkener, alkoholer, aldehyder, ketoner, carboxylsyrer) (U).
- ud fra systematisk navn opskrive sumformel for simple molekyler, ioner og salte og skelne mellem ioniske og molekylære forbindelser (U).
- tegne organiske molekyler som structural formula, condensed structural formula og carbon skeleton formula (U).
- tegne og begrunde Lewis-strukturer (defineret som structural formula med angivelse af lone pairs) for uorganiske og organiske molekyler og ioner (U).

- Foreslå miljøkemiske egenskaber for organiske forbindelser på baggrund af strukturformel (U).

- arbejde nøjagtigt og sikkert i et kemisk laboratorium.
- udføre simple kemiske eksperimenter relateret til naturressourcer og vurdere måleusikkerhed.

- visuelt genkende og overfladisk beskrive typisk fremtoning og typisk kemisk sammensætning af udvalgte grundstoffer, mineraler og bjergarter, jvf. udleveret liste og kompendium med fokus på simple og almindelige mineraler med betydning for jorddannelse eller gødning (U).

- forudsige opløselighed i vand (tungtopløselig eller letopløselig) af simple salte bestående af Na+, K+, NH4+, Mg2+,Ca2+, NO3-, Cl-, CO32-, PO43-(U).
- forudsige opløselighed i vand (tungtopløselig eller letopløselig) af andre simple salte jvf. lærebogen.

- bestemme oxidationstrin for frie grundstoffer, monoatomiske ioner og simple forbindelser af C, H, O, N og S (U).
- bestemme oxidationstrin for atomer i andre forbindelser.

- afstemme simple kemiske reaktioner incl. simple redox-reaktioner (U)

- afstemme kemiske reaktioner generelt.
- beregne pH ud fra koncentrationer af specifikke syrer og evt. konjugerede baser.
- generelt beregne ligevægtskoncentrationer ud fra ligevægtskonstanter, f.eks. vedrørende opløselighed.
- forudsige reaktioners retning ud fra ligevægtskonstanter og koncentrationer.
- beregne fri energi fra ligevægtskonstant eller cellepotential og omvendt.
- forudsige redox-reaktioner mellem specifikke ioner og metaller ud fra standardpotentialer og koncentrationer.
- beregne fotonenergi fra bølgelængde og omvendt.
- anvende og i begrænset omfang kombinere definitioner og formler fra kursets emneområder.
- oversætte biologisk kemi skrevet som tekst til kemiske reaktionsskemaer (U).
- benytte kemisk terminologi til beskrivelse og forklaring af kemiske reaktioner med biologisk relevans (U).

Kompetencer: Efter at have gennemført kurset forventes den studerende at kunne
- analysere et simpelt kemisk, miljøkemisk, jordbundskemisk eller biokemisk spørgsmål skrevet som tekst og omsætte det til en ligning, et reaktionsskema eller lignende (U).
- relatere elementær viden om kemi, jordbundskemi, miljøkemi og biokemi til biologiske og økologiske problemstillinger (U).
- rapportere om databehandling og fortolkning af simple kemiske eksperimenter relevante for naturressourcer.

Hovedtrækkene af kursets pensum gennemgås i forelæsninger som forudsætter hjemmeforberedelse og suppleres teoretiske øvelser med opgaveregning og omfattende vejledning samt værkstedstimer med gruppearbejde med mere begrænset vejledning. Praktisk kendskab til basal mineralogi formidles ved fremlæggelse og fælles visuel undersøgelse af effekter fra mineralogisk samling. De fem cases består af koordinerede forelæsninger, teoretiske øvelser, laboratorieøvelser og værkstedstimer til arbejdet med casen, således at den studerende i hver case veksler mellem overordnede problemstillinger, introduktion til fundamentale begrebsapparater, detaljeret arbejde med konkrete eksempler, og skriftlig rapportering indeholdende både specifikke problemer og generelle essays. Den obligatoriske case-rapport omfatter en laboratoriejournal med tilhørende opgaver, nogle eksamens-lignende opgaver og et essay om casens overordnede emne. Laboratorieundervisningen er obligatorisk og omfatter hjemmeforberedelse, gennemførelse af de praktiske øvelser og rapportering i fortrykte rapportskemaer som del af den ligeledes obligatoriske case-rapport. Laboratorie-øvelser og case-rapporter udføres i små hold. Før deltagelse i laboratorieøvelser skal sikkerhedsintro-øvelse gennemføres.

Nivaldo J. Tro: Chemistry – a molecular approach. Nyeste global edition, Pearson Prentice Hall, New Jersey. Den præcise udgave vil blive specificeret på Absalon.

Udleverede pdf-kompendier: Cases til Naturressourcers Kemi (1-5).

Udleveret pdf-liste over udenads-stofkendskab.

Udleveret pdf-laboratoriemanual

Udleveret baggrundslitteratur til cases

Løbende feedback i undervisningsforløbet

Enten skriftlig eller mundtlig feedback på case-rapporter og laboratoriejournaler, som afleveres fra små grupper. Desuden mulighed for feedback under øvelser og forelæsninger.

ECTS
7,5 ECTS
Prøveform
Skriftlig prøve, 4 timer med opsyn.
Prøveformsdetaljer
Opgavesættet består af to dele: første del uden hjælpemidler og anden del med hjælpemidler. Til første del kan bruges op til 2 timer og 15 min. Anden del udleveres når første del er afleveret.

Vægtning: Første del af eksamen tæller som 60% og anden del som 40% af den samlede eksamen. De to halvdele bedømmes kun samlet og delresultater kan således ikke overføres.

Skriftlig eksamen består af et bredt udvalg af spørgsmål der afspejler målbeskrivelsen, og karakteren afspejler en helhedsbedømmelse af besvarelsens kvalitet.
Krav til indstilling til eksamen

Aktiv deltagelse i mindst 4 ud af 5 laboratorieøvelser. Desuden skal mindst 4 ud af 5 laboratoriejournaler og mindst 4 ud af 5 case-rapporter være godkendt.

 

 

Hjælpemidler
Kun visse hjælpemidler tilladt

Første del af eksamen er uden hjælpemidler (ej heller lommeregner). Alle skriftlige hjælpemidler er tilladt under anden del af eksamen (straks efter aflevering af første del). Ved skriftlige hjælpemidler forstås trykte eller håndskrevne hjælpemidler (samt lommeregner), ikke computer, tablet eller øvrige elektroniske hjælpemidler.

Bedømmelsesform
7-trins skala
Censurform
Ingen ekstern censur
Flere interne bedømmere
Reeksamen

Som den ordinære eksamen. Hvis der er ti eller færre tilmeldte til reeksamen ændres eksamensformen til mundtlig eksamen (ca. 20 minutter) uden forberedelse og uden andre hjælpemidler end det periodiske system.

Mundtlig reeksamen tager udgangspunkt i et eller nogle få repræsentative emner fra målbeskrivelsen.

Studerende der ikke opfylder kravene skal derfor som udgangspunkt følge kurset igen.

 

Kriterier for bedømmelse

For at opnå karakteren 12 skal den studerende overbevisende og præcist demonstrere viden, færdigheder og kompetencer som beskrevet i målbeskrivelsen, i den udstrækning de enkelte mål er indeholdt i den aktuelle eksamen.

Enkeltfag dagtimer (tompladsordning)

  • Kategori
  • Timer
  • Forelæsninger
  • 30
  • Forberedelse (anslået)
  • 108
  • Teoretiske øvelser
  • 24
  • Laboratorie
  • 18
  • Studiegrupper
  • 22
  • Eksamen
  • 4
  • Total
  • 206

Kursusinformation

Undervisningssprog
Dansk
Kursusnummer
NPLB20004U
ECTS
7,5 ECTS
Niveau
Bachelor
Varighed

1 blok

Placering
Blok 2
Skemagruppe
A (tirs 8-12 + tors 8-17) og C
Kapacitet
110
Der kan være færre pladser i eftertilmeldingsperioden
Studienævn
Studienævn for Naturressourcer, Miljø og Husdyr
Udbydende institut
  • Institut for Plante- og Miljøvidenskab
Udbydende fakultet
  • Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
Kursusansvarlig
  • Niels Agerbirk   (3-726d654474706972326f7932686f)
Underviser

Niels Agerbirk, Thomas Hesselhøj Hansen, m. fl.

Gemt den 28-02-2023

Are you BA- or KA-student?

Are you bachelor- or kandidat-student, then find the course in the course catalog for students:

Courseinformation of students