Domeniul de studiu și aplicații ale chimiei mediului

chimie ambientală studiază procesele chimice care au loc la nivel de mediu. Este o știință care aplică principiile chimice studiului performanței de mediu și a impacturilor generate de activitățile umane..

În plus, chimia mediului proiectează tehnici de prevenire, atenuare și remediere a daunelor existente asupra mediului..

Chimia mediului poate fi împărțită în trei discipline de bază care sunt:

1. Chimia mediului atmosferei.
2. Chimia mediului înconjurător al hidrosferei.
3. Chimia mediului în sol.

O abordare integrală a chimiei mediului necesită în plus studiul corelațiilor dintre procesele chimice care au loc în aceste trei compartimente (atmosferă, hidrosferă, sol) și relațiile lor cu biosfera..

Indice articol

• 1 Chimia mediului atmosferei
  • 1.1 -Stratosfera
  • 1.2 -Troposfera
• 2 Chimia mediului înconjurător al hidrosferei
  • 2.1 -Apă proaspătă
  • 2.2 -Ciclul apei
  • 2.3-Impacturi antropologice asupra ciclului apei
• 3 Chimia mediului înconjurător al solului
  • 3.1 Solul
  • 3.2 Impacturi antropologice asupra solului
• 4 Relația chimică-mediu
  • 4.1 -Modelul Garrels și Lerman
• 5 Aplicații ale chimiei mediului
• 6 Referințe

Chimia mediului atmosferei

Atmosfera este stratul de gaze care înconjoară Pământul; constituie un sistem foarte complex, în care temperatura, presiunea și compoziția chimică variază cu altitudinea în domenii foarte largi.

Soarele bombardează atmosfera cu radiații și particule de mare energie; acest fapt are efecte chimice foarte semnificative în toate straturile atmosferei, dar în special în straturile superioare și exterioare.

-Stratosferă

Reacțiile de fotodisociere și fotoionizare apar în regiunile exterioare ale atmosferei. În regiunea cuprinsă între 30 și 90 km înălțime măsurată de la suprafața pământului, în stratosferă, există un strat care conține în principal ozon (O₃), numit stratul de ozon.

Strat de ozon

Ozonul absoarbe radiațiile ultraviolete de mare energie care provin de la soare și dacă nu ar exista existența acestui strat, nicio formă de viață cunoscută de pe planetă nu ar putea supraviețui..

În 1995, chimiștii atmosferici Mario J. Molina (mexican), Frank S. Rowland (american) și Paul Crutzen (olandez), au câștigat Premiul Nobel pentru chimie pentru cercetările lor privind distrugerea și epuizarea ozonului în stratosferă..

În 1970, Crutzen a arătat că oxizii de azot distrug ozonul prin reacții chimice catalitice. Mai târziu, Molina și Rowland, în 1974, au arătat că clorul din compușii clorofluorocarbonici (CFC) este, de asemenea, capabil să distrugă stratul de ozon.

-Troposfera

Stratul atmosferic imediat la suprafața pământului, între 0 și 12 km înălțime, numit troposferă, este compus în principal din azot (N_Două) și oxigen (O_Două).

Gazele toxice

Ca urmare a activităților umane, troposfera conține multe substanțe chimice suplimentare considerate poluanți ai aerului, cum ar fi:

• Dioxid de carbon și monoxid (CO_Două și CO).
• Metan (CH₄).
• Oxid de azot (NO).
• Dioxid de sulf (SO_Două).
• Ozon O₃ (considerat poluant în troposferă)
• Compuși organici volatili (COV), pulberi sau particule solide.

Printre multe alte substanțe, care afectează sănătatea oamenilor, plantelor și animalelor.

Ploaie acidă

Oxizi de sulf (SO_Două Așadar₃) și cele ale azotului, cum ar fi oxidul de azot (NO_Două), provoacă o altă problemă de mediu numită ploaie acidă.

Acești oxizi, prezenți în troposferă în principal ca produse de ardere a combustibililor fosili în activități industriale și de transport, reacționează cu apa de ploaie producând acid sulfuric și acid azotic, cu precipitarea acidă consecventă..

Prin precipitarea acestei ploi care conține acizi puternici, declanșează mai multe probleme de mediu, cum ar fi acidificarea mării și a apelor dulci. Acest lucru determină moartea organismelor acvatice; acidificarea solurilor care determină moartea culturilor și distrugerea prin acțiune chimică corozivă a clădirilor, podurilor și monumentelor.

Alte probleme de mediu atmosferice sunt smogul fotochimic, cauzat în principal de oxizi de azot și ozon troposferic.

Încălzire globală

Încălzirea globală este produsă de concentrații mari de CO_Două atmosferice și alte gaze cu efect de seră (GES), care absorb o mare parte din radiația infraroșie emisă de suprafața Pământului și captează căldura în troposferă. Acest lucru generează schimbări climatice pe planetă.

Chimia mediului înconjurător al hidrosferei

Hidrosfera este alcătuită din toate corpurile de apă de pe Pământ: suprafață sau zone umede - oceane, lacuri, râuri, izvoare - și subterane sau acvifere..

-Apa dulce

Apa este cea mai comună substanță lichidă de pe planetă, acoperă 75% din suprafața pământului și este absolut esențială pentru viață..

Toate formele de viață depind de apa dulce (definită ca apă cu un conținut de sare mai mic de 0,01%). 97% din apa planetei este apă sărată.

Din restul de 3% apă dulce, 87% se află în:

• Polii Pământului (care se topesc și se revarsă în mări ca urmare a încălzirii globale).
• Ghețarii (de asemenea, în curs de dispariție).
• Panza freatica.
• Apa sub formă de vapori prezenți în atmosferă.

Doar 0,4% din totalul apei dulci ale planetei este disponibil pentru consum. Evaporarea apei din oceane și precipitații asigură continuu acest procent mic..

Chimia mediului înconjurător al apei studiază procesele chimice care apar în ciclul apei sau ciclul hidrologic și dezvoltă, de asemenea, tehnologii pentru purificarea apei pentru consumul uman, tratarea apelor uzate industriale și urbane, desalinizarea apei de mare, reciclarea și economisirea acestei resurse, printre alții.

-Ciclul apei

Ciclul apei pe Pământ constă din trei procese principale: evaporare, condens și precipitații, din care sunt derivate trei circuite:

1. Scurgere de suprafață
2. Evapotranspirația plantelor
3. Infiltrarea, în care apa trece la nivelurile subterane (freatice), circulă prin canalele acvifere și iese prin izvoare, fântâni sau fântâni.

-Impacturi antropologice asupra ciclului apei

Activitatea umană are impact asupra ciclului apei; unele dintre cauzele și efectele acțiunii antropologice sunt următoarele:

Modificarea suprafeței terenului

Este generat de distrugerea pădurilor și câmpurilor cu defrișări. Acest lucru afectează ciclul apei prin eliminarea evapotranspirației (aportul de apă de către plante și întoarcerea în mediu prin transpirație și evaporare) și prin creșterea scurgerii..

Creșterea scurgerii de suprafață produce o creștere a debitului râurilor și inundațiilor.

Urbanizarea modifică, de asemenea, suprafața terenului și afectează ciclul apei, deoarece solul poros este înlocuit de ciment impermeabil și asfalt, ceea ce face imposibilă infiltrarea..

Poluarea ciclului apei

Ciclul apei implică întreaga biosferă și, în consecință, deșeurile generate de om sunt încorporate în acest ciclu prin diferite procese..

Poluanții chimici din aer sunt încorporați în ploaie. Produse agrochimice aplicate pe sol, suferă levigate și infiltrări în acvifere sau fug în râuri, lacuri și mări.

De asemenea, deșeurile de grăsimi și uleiuri și levigatele depozitelor de deșeuri sanitare sunt trase de infiltrarea în apele subterane..

Extragerea aprovizionării cu apă cu descoperire de cont în resursele de apă

Aceste practici de descoperire de conturi produc epuizarea rezervelor de apă subterană și de suprafață, afectează ecosistemele și produc apariția locală a solului.

Chimia mediului în sol

Solurile sunt unul dintre cei mai importanți factori ai echilibrului biosferei. Acestea oferă ancorare, apă și substanțe nutritive plantelor, care sunt producătoare de lanțuri trofice terestre.

Sol

Solul poate fi definit ca un ecosistem complex și dinamic de trei faze: o fază solidă cu suport mineral și organic, o fază lichidă apoasă și o fază gazoasă; caracterizată prin faptul că are o anumită faună și floră (bacterii, ciuperci, viruși, plante, insecte, nematode, protozoare).

Proprietățile solului sunt modificate în mod constant de condițiile de mediu și de activitatea biologică care are loc în el..

Impacturi antropologice asupra solului

Degradarea solului este un proces care reduce capacitatea productivă a solului, capabil să producă o schimbare profundă și negativă în ecosistem..

Factorii care produc degradarea solului sunt: ​​climatul, fiziografia, litologia, vegetația și acțiunea umană.

Prin acțiunea umană pot apărea:

• Degradarea fizică a solului (de exemplu, compactarea din practici necorespunzătoare de fermă și fermă).
• Degradarea chimică a solului (acidificare, alcalinizare, salinizare, contaminare cu produse chimice agrochimice, cu efluenți din activitatea industrială și urbană, scurgeri de petrol, printre altele).
• Degradarea biologică a solului (scăderea conținutului de materie organică, degradarea învelișului vegetal, pierderea microorganismelor fixatoare de azot, printre altele).

Relația chimică-mediu

Chimia mediului studiază diferitele procese chimice care au loc în cele trei compartimente de mediu: atmosferă, hidrosferă și sol. Este interesant să revizuim o abordare suplimentară asupra unui model chimic simplu, care încearcă să explice transferurile globale de materie care au loc în mediu..

-Modelul Garrels și Lerman

Garrels și Lerman (1981), au dezvoltat un model simplificat al biogeochimiei suprafeței Pământului, care studiază interacțiunile dintre compartimentele atmosferă, hidrosferă, scoarța terestră și biosfera inclusă..

Modelul Garrels și Lerman ia în considerare șapte minerale constitutive majore ale planetei:

1. Gips (CaSO₄)
2. Pirita (FeS_Două)
3. Carbonat de calciu (CaCO₃)
4. Carbonat de magneziu (MgCO₃)
5. Silicat de magneziu (MgSiO₃)
6. Oxid feric (Fe_DouăSAU₃)
7. Dioxid de siliciu (SiO_Două)

Materia organică care constituie biosfera (atât vie, cât și moartă), este reprezentată ca CH_DouăSau, care este compoziția aproximativă stoichiometrică a țesuturilor vii.

În modelul Garrels și Lerman, modificările geologice sunt studiate ca transferuri nete de materie între aceste opt componente ale planetei, prin reacții chimice și un echilibru net de conservare a masei..

Acumularea de CO_Două în atmosferă

De exemplu, problema acumulării de CO_Două în atmosferă este studiat în acest model, spunând că: ardem în prezent carbonul organic stocat în biosferă sub formă de cărbune, petrol și gaze naturale depozitate în subsol în vremurile geologice.

Ca o consecință a acestei arderi intensive a combustibililor fosili, concentrația de CO_Două atmosferică crește.

Concentrații crescute de CO_Două în atmosfera Pământului se datorează faptului că rata de ardere a carbonului fosil depășește rata de absorbție a carbonului de către celelalte componente ale sistemului biogeochimic al Pământului (cum ar fi organismele fotosintetice și hidrosfera, de exemplu).

În acest fel, emisia de CO_Două atmosferei datorate activităților umane, ocolește sistemul de reglementare care modulează schimbările de pe Pământ.

Mărimea biosferei

Modelul dezvoltat de Garrels și Lerman consideră, de asemenea, că dimensiunea biosferei crește și scade ca urmare a echilibrului dintre fotosinteză și respirație..

În timpul istoriei vieții pe Pământ, masa biosferei a crescut în etape, cu rate ridicate de fotosinteză. Acest lucru a dus la stocarea netă a carbonului organic și la emisia de oxigen:

CO_Două    +   H_DouăO → CH_DouăO + O_Două

Respirația ca activitate metabolică a microorganismelor și a animalelor superioare, transformă carbonul organic înapoi în dioxid de carbon (CO_Două) și apă (H_DouăO), adică inversează reacția chimică anterioară.

Prezența apei, stocarea carbonului organic și producerea de oxigen molecular sunt fundamentale pentru existența vieții..

Aplicații de chimie a mediului

Chimia mediului oferă soluții pentru prevenirea, atenuarea și remedierea daunelor asupra mediului cauzate de activitatea umană. Printre unele dintre aceste soluții putem menționa:

• Proiectarea de noi materiale numite MOF (pentru acronimul său în engleză: Cadre metalice organice). Acestea sunt foarte poroase și au capacitatea de a absorbi și reține CO_Două, obțineți H_DouăSau de la vapori de aer din deșert și depozit H_Două în recipiente mici.
• Conversia deșeurilor în materii prime. De exemplu, utilizarea anvelopelor uzate la producerea de iarbă artificială sau tălpi pentru pantofi. De asemenea, utilizarea deșeurilor de tăiere a culturilor, la generarea de biogaz sau bioetanol.
• Sinteze chimice de înlocuitori CFC.
• Dezvoltarea de energii alternative, cum ar fi celulele de hidrogen, pentru generarea de energie electrică nepoluantă.
• Controlul poluării atmosferice, cu filtre inerte și filtre reactive.
• Desalinizarea apei de mare prin osmoză inversă.
• Dezvoltarea de noi materiale pentru flocularea substanțelor coloidale suspendate în apă (proces de purificare).
• Inversarea eutrofizării lacurilor.
• Dezvoltarea „chimiei verzi”, o tendință care propune înlocuirea compușilor chimici toxici cu compuși mai puțin toxici și proceduri chimice „ecologice”. De exemplu, se aplică în utilizarea unor solvenți și materii prime mai puțin toxice, în industrie, în curățarea chimică a spălătoriei, printre altele..

Referințe

1. Calvert, J. G., Lazrus, A., Kok, G. L., Heikes, B. G., Walega, J. G., Lind, J. și Cantrell, C. A. (1985). Mecanisme chimice de generare a acidului în troposferă. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Influența oxizilor de azot asupra conținutului atmosferic. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. și Lerman, A. (1981). Cicluri fanerozoice de carbon sedimentar și sulf. Lucrările Academiei Naturale de Științe. UTILIZĂRI. 78: 4.652-4.656.
4. Hester, R. E. și Harrison, R. M. (2002). Schimbări globale de mediu. Societatea Regală de Chimie. pp. 205.
5. Hites, R. A. (2007). Elemente de chimie a mediului. Wiley-Interscience. pp. 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Chimia mediului. Ediția a șaptea. CRC. pp. 876
7. Molina, M.J. și Rowland, F.S. (1974). Chiuvetă stratosferică pentru clorofluormetani: distrugerea ozonului catalizată de atomul de clor. Natură. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. și Hering, J.M. (2000). Principii și aplicații ale chimiei acvatice. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C. V., Saunders, E. și Goliff, W. S. (2011). O revizuire a chimiei atmosferice troposferice și a mecanismelor chimice în fază gazoasă pentru modelarea calității aerului. Atmosfera, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001