CHIMIA MEDIULUI: DOMENIUL DE STUDIU ȘI APLICAȚII - MEDIU INCONJURATOR - 2025

Chimia mediului studiază procesele chimice care au loc la nivel de mediu. Este o știință care aplică principii chimice pentru studiul performanței de mediu și impacturile generate de activitățile umane.

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

Figura 1. Diagrama atmosferei terestre, hidrosfera, litosfera și biosfera. Sursa: Bojana Petrović, de la Wikimedia Commons

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

1. Chimia de mediu a atmosferei.
2. Chimia de mediu a hidrosferei.
3. Chimia mediului pentru sol.

O abordare cuprinzătoare a chimiei de mediu necesită, în plus, studiul relațiilor dintre procesele chimice care apar în aceste trei compartimente (atmosferă, hidrosferă, sol) și relațiile lor cu biosfera.

Chimia de mediu a 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 cu energie mare; acest fapt are efecte chimice foarte importante în toate straturile atmosferei, dar în special în straturile superioare și exterioare.

-Stratosferă

Reacții de fotodisociere și fotionizare apar în regiunile exterioare ale atmosferei. În regiunea cuprinsă între 30 și 90 km înălțime măsurată de la suprafața pământului, în stratosferă, este localizat un strat care conține mai ales ozon (O ₃ ), numit strat de ozon.

Strat de ozon

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

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

Figura 2. Schema de epuizare în stratul de ozon. Din nasa.gov

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

-Troposphere

Stratul atmosferic imediat de suprafața pământului, între 0 și 12 km înălțime, numit troposferă, este compus în principal din azot (N ₂ ) și oxigen (O ₂ ).

Gazele toxice

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

• Dioxidul de carbon și monoxidul (CO ₂ și CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Oxid de azot (NO).
• Dioxid de sulf (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (considerat un poluant în troposferă)
• Compuși organici volatili (COV), pulberi sau particule solide.

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

Ploaie acidă

Oxizii de sulf (SO ₂ și SO ₃ ) și oxizii de azot, cum ar fi oxidul de azot (NO ₂ ) provoacă o altă problemă de mediu numită ploaie acidă.

Acești oxizi, prezenți în troposferă în principal ca produse de ardere a combustibililor fosili în activitățile industriale și de transport, reacționează cu apa de ploaie producând acid sulfuric și acid azotic, cu precipitațiile de acid consecințe.

Figura 3. Schema ploilor acide. Sursa: Alfredsito94, de la Wikimedia Commons

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

Alte probleme de mediu atmosferice sunt smogul fotochimic, cauzate în principal de oxizii de azot și ozonul troposferic.

Încălzire globală

Încălzirea globală este produsă de concentrații mari de CO ₂ atmosferice și alte gaze cu efect de seră (GES), care absorb o mare parte din radiațiile infraroșii emise de suprafața Pământului și căldură capcană în troposferă. Acest lucru generează schimbări climatice pe planetă.

Chimia de mediu a hidrosferei

Hidrosfera este formată 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 frecventă 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 de pe planetă este apă sărată.

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

• Polii Pământului (care se topesc și se toarnă în mări din cauza încălzirii globale).
• Ghețarii (de asemenea, în proces de dispariție).
• Panza freatica.
• Apa sub formă de vapori prezenți în atmosferă.

Doar 0,4% din totalul de apă dulce a planetei este disponibil pentru consum. Evaporarea apei din oceane și precipitațiile ploilor asigură acest procent mic.

Chimia de mediu a 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 salvarea acestei resurse, printre altele.

-Ciclul apei

Ciclul apei de pe Pământ este format din trei procese principale: evaporarea, condensul și precipitațiile, din care sunt derivate trei circuite:

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

Figura 4. Ciclul apei. Sursa: Wasserkreislauf.png: de la: Benutzer: Lucrare Jooooderivative: moyogo, prin Wikimedia Commons

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

Creșterea scurgerii de suprafață produce o creștere a fluxului de râuri și inundații.

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

Poluarea cu ciclu de apă

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

Poluanții chimici din aer sunt încorporați în ploaie. Produsele agrochimice aplicate pe sol, suferă de lixifiere și infiltrare acviferelor sau fugă în râuri, lacuri și mări.

De asemenea, deșeurile de grăsimi și uleiuri și levigatele depozitelor sanitare sunt transportate prin infiltrare în apele subterane.

Extragerea rezervelor de apă cu descoperit de resurse de apă

Aceste practici de descoperire de conturi produc epuizarea apelor subterane și rezervelor de apă de suprafață, afectează ecosistemele și produc dependența locală a solului.

Chimia mediului pentru sol

Solurile sunt unul dintre cei mai importanți factori în echilibrul biosferei. Ele furnizează plante de ancorare, apă și nutrienți, care sunt producători în lanțurile trofice terestre.

Sol

Solul poate fi definit ca un ecosistem complex și dinamic în trei faze: o fază solidă cu suport mineral și organic, o fază lichidă apoasă și o fază gazoasă; caracterizat prin faptul că are o faună și o flora anume (bacterii, ciuperci, virusuri, plante, insecte, nematozi, protozoare).

Proprietățile solului sunt modificate constant de condițiile de mediu și de activitatea biologică care se dezvoltă în el.

Impacturi antropologice asupra solului

Degradarea solului este un proces care scade 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.

Figura 5. Sol degradat. Sursa: pexels.com

Prin acțiunea umană pot apărea:

• Degradarea fizică a solului (de exemplu, compactarea de la practicile necorespunzătoare de fermă și de fermă).
• Degradarea chimică a solului (acidifiere, alcalinizare, salinizare, contaminarea cu produse agrochimice, cu efluenți din activitatea industrială și urbană, deversări de petrol, printre altele).
• Degradarea biologică a solului (scăderea conținutului de materie organică, degradarea capacului de vegetație, pierderea microorganismelor care fixează azotul, printre altele).

Relația chimică - mediu

Chimia de mediu 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 apar în mediu.

-Model Garrels și Lerman

Garrels și Lerman (1981) au dezvoltat un model simplificat al biogeochemiei suprafeței Pământului, care studiază interacțiunile dintre atmosferă, hidrosferă, scoarța pământului și compartimentele biosferei incluse.

Modelul Garrels și Lerman consideră șapte minerale constituente majore ale planetei:

1. Ghips (CaSO ₄ )
2. Pirit (FeS ₂ )
3. Carbonat de calciu (CaCO ₃ )
4. Carbonat de magneziu (MgCO ₃ )
5. Silicat de magneziu (MgSiO ₃ )
6. Oxid feric (Fe ₂ O ₃ )
7. Dioxid de siliciu (SiO ₂ )

Materia organică constituent al biosferă (vii sau morți), este reprezentat ca CH ₂ O, care este compoziția stoechiometrică aproximativă a țesuturilor vii.

În modelul Garrels și Lerman, schimbările 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

De exemplu, problema acumulării de CO ₂ în atmosferă este studiată în acest model, spunând că: în prezent, ardem carbonul organic depozitat în biosferă sub formă de cărbune, petrol și gaz natural depozitate în subsol în timpurile geologice anterioare .

Ca urmare a acestei arderi intense a combustibililor fosili, concentrația de CO ₂ atmosferică este în creștere.

Creșterea concentrațiilor de CO ₂ în atmosfera Pământului se datorează faptului că rata de ardere a carbonului fosil depășește rata absorbției de carbon de către celelalte componente ale sistemului biogeochimic al Pământului (cum ar fi organismele fotosintetice și hidrosfera, de exemplu).

În acest fel, emisia de CO ₂ în atmosferă datorită activităților umane, depășește sistemul de reglementare care modulează schimbările 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 mari de fotosinteză. Aceasta a dus la o stocare netă de carbon organic și la emisii de oxigen:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Respirația ca activitate metabolică a microorganismelor și a animalelor superioare transformă carbonul organic în dioxid de carbon (CO ₂ ) și apă (H ₂ O), adică inversează reacția chimică anterioară.

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

Aplicații pentru chimia mediului

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

• Proiectarea de noi materiale numite MOF's (pentru acronimele sale în engleză: Metal Organic Frameworks). Acestea sunt foarte poroase și au capacitatea de a: absorbi și reține CO ₂ , obține H ₂ O din vaporii de aer în zonele deșertice și depozitează H ₂ în recipiente mici.
• Conversia deșeurilor în materii prime. De exemplu, utilizarea anvelopelor uzate la producția de iarbă artificială sau talpă pentru încălțăminte. De asemenea, utilizarea deșeurilor de tăiere a culturilor, în generarea de biogaz sau bioetanol.
• Sinteze chimice de înlocuitori CFC.
• Dezvoltarea de energii alternative, cum ar fi celulele cu hidrogen, pentru generarea de electricitate 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 (procesul de purificare).
• Inversarea eutrofizării lacului.
• Dezvoltarea „chimiei verzi”, o tendință care propune înlocuirea compușilor chimici toxici cu cei mai puțin toxici și a procedurilor chimice „ecologice”. De exemplu, se aplică în utilizarea solvenților și materiilor prime mai puțin toxice, în industrie, la curățarea uscată a spălătoriei, printre altele.

Referințe

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. și Cantrell, CA (1985). Mecanisme chimice de generare a acidului în troposferă. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Influența oxizilor de azot asupra conținutului atmosferic. QJR Metheol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM și Lerman, A. (1981). Cicluri fanerozoice de carbon și sulf sedimentare. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. SUA 78: 4.652-4.656.
4. Hester, RE și Harrison, RM (2002). Schimbarea globală a mediului. Societatea Regală de Chimie. p. 205.
5. Hites, RA (2007). Elemente de chimie de mediu. Wiley-Interscience. pp. 215.
6. Manahan, SE (2000). Chimia mediului. Ediția a șaptea. CRC. p. 876
7. Molina, MJ și Rowland, FS (1974). Chiuveta stratosferică pentru clorofluormetane: distrugerea ozonului catalizată de atomul de clor. Natură. 249: 810-812.
8. Morel, FM și Hering, JM (2000). Principii și aplicații ale chimiei acvatice. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. și Goliff, WS (2011). O revizuire a chimiei atmosferice troposferice și a mecanismelor chimice în faza de gaz pentru modelarea calității aerului. Atmosferă, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001