- Chimica ambientale dell'atmosfera
- -Stratosfera
- Strato di ozono
- -Troposfera
- Gas tossici
- Pioggia acida
- Riscaldamento globale
- Chimica ambientale dell'idrosfera
- -Acqua fresca
- -Il ciclo dell'acqua
- -Impatti antropologici sul ciclo dell'acqua
- Modifica della superficie del terreno
- Inquinamento del ciclo dell'acqua
- Estrazione di riserve idriche con scoperto in risorse idriche
- Chimica ambientale del suolo
- Suolo
- Impatti antropologici sul suolo
- Rapporto chimico-ambiente
- -Modello Garrels e Lerman
- L'accumulo di CO
- La dimensione della biosfera
- Applicazioni di chimica ambientale
- Riferimenti
La chimica ambientale studia i processi chimici che avvengono a livello ambientale. È una scienza che applica principi chimici allo studio delle prestazioni ambientali e degli impatti generati dalle attività umane.
Inoltre, la chimica ambientale progetta tecniche di prevenzione, mitigazione e riparazione dei danni ambientali esistenti.
Figura 1. Diagramma dell'atmosfera terrestre, idrosfera, litosfera e biosfera. Fonte: Bojana Petrović, da Wikimedia Commons
La chimica ambientale può essere suddivisa in tre discipline fondamentali che sono:
- Chimica ambientale dell'atmosfera.
- Chimica ambientale dell'idrosfera.
- Chimica ambientale del suolo.
Un approccio globale alla chimica ambientale richiede inoltre lo studio delle interrelazioni tra i processi chimici che avvengono in questi tre comparti (atmosfera, idrosfera, suolo) e le loro relazioni con la biosfera.
Chimica ambientale dell'atmosfera
L'atmosfera è lo strato di gas che circonda la Terra; costituisce un sistema molto complesso, dove la temperatura, la pressione e la composizione chimica, variano con l'altitudine in intervalli molto ampi.
Il sole bombarda l'atmosfera con radiazioni e particelle ad alta energia; questo fatto ha effetti chimici molto significativi in tutti gli strati dell'atmosfera, ma in particolare, negli strati superiori ed esterni.
-Stratosfera
Le reazioni di fotodissociazione e fotoionizzazione si verificano nelle regioni esterne dell'atmosfera. Nella regione tra i 30 ei 90 km di altezza misurata dalla superficie terrestre, nella stratosfera, è presente uno strato che contiene principalmente ozono (O 3 ), chiamato strato di ozono.
Strato di ozono
L'ozono assorbe le radiazioni ultraviolette ad alta energia che provengono dal sole e se non fosse per l'esistenza di questo strato, nessuna forma di vita conosciuta sul pianeta potrebbe sopravvivere.
Nel 1995, i chimici dell'atmosfera Mario J. Molina (messicano), Frank S. Rowland (americano) e Paul Crutzen (olandese), hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica per le loro ricerche sulla distruzione e l'esaurimento dell'ozono nella stratosfera.
Figura 2. Schema di riduzione dello strato di ozono. Da nasa.gov
Nel 1970 Crutzen ha dimostrato che gli ossidi di azoto distruggono l'ozono attraverso reazioni chimiche catalitiche. Successivamente Molina e Rowland nel 1974, hanno dimostrato che il cloro nei composti clorofluorocarburici (CFC) è anche in grado di distruggere lo strato di ozono.
-Troposfera
Lo strato atmosferico vicino alla superficie terrestre, tra 0 e 12 km di altezza, chiamato troposfera, è composto principalmente da azoto (N 2 ) e ossigeno (O 2 ).
Gas tossici
Come risultato delle attività umane, la troposfera contiene molte sostanze chimiche aggiuntive considerate inquinanti atmosferici come:
- Anidride carbonica e monossido (CO 2 e CO).
- Metano (CH 4 ).
- Ossido di azoto (NO).
- Anidride solforosa (SO 2 ).
- Ozono O 3 (considerato un inquinante nella troposfera)
- Composti organici volatili (VOC), polveri o particelle solide.
Tra molte altre sostanze, che influiscono sulla salute umana, vegetale e animale.
Pioggia acida
Gli ossidi di zolfo (SO 2 e SO 3 ) e gli ossidi di azoto come il protossido di azoto (NO 2 ) causano un altro problema ambientale chiamato pioggia acida.
Questi ossidi, presenti nella troposfera principalmente come prodotti della combustione di combustibili fossili nelle attività industriali e di trasporto, reagiscono con l'acqua piovana producendo acido solforico e acido nitrico, con la conseguente precipitazione acida.
Figura 3. Schema delle piogge acide. Fonte: Alfredsito94, da Wikimedia Commons
Precipitando questa pioggia che contiene acidi forti, innesca diversi problemi ambientali come l'acidificazione dei mari e delle acque dolci. Ciò provoca la morte degli organismi acquatici; l'acidificazione dei suoli che provoca la morte delle colture e la distruzione per azione chimica corrosiva di edifici, ponti e monumenti.
Altri problemi ambientali atmosferici sono lo smog fotochimico, causato principalmente dagli ossidi di azoto e dall'ozono troposferico.
Riscaldamento globale
Il riscaldamento globale è prodotto da alte concentrazioni di CO 2 atmosferica e altri gas serra (GHG), che assorbono gran parte della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre e intrappolano il calore nella troposfera. Questo genera il cambiamento climatico sul pianeta.
Chimica ambientale dell'idrosfera
L'idrosfera è composta da tutti i corpi idrici sulla Terra: superficie o zone umide - oceani, laghi, fiumi, sorgenti - e sotterranei o acquiferi.
-Acqua fresca
L'acqua è la sostanza liquida più comune del pianeta, copre il 75% della superficie terrestre ed è assolutamente essenziale per la vita.
Tutte le forme di vita dipendono dall'acqua dolce (definita come acqua con un contenuto di sale inferiore allo 0,01%). Il 97% dell'acqua del pianeta è acqua salata.
Del restante 3% di acqua dolce, l'87% è in:
- I poli della Terra (che si stanno sciogliendo e si riversano nei mari a causa del riscaldamento globale).
- I ghiacciai (anch'essi in via di scomparsa).
- Acque sotterranee.
- Acqua sotto forma di vapore presente nell'atmosfera.
Solo lo 0,4% dell'acqua dolce totale del pianeta è disponibile per il consumo. L'evaporazione dell'acqua dagli oceani e la precipitazione delle piogge forniscono continuamente questa piccola percentuale.
La chimica ambientale dell'acqua studia i processi chimici che avvengono nel ciclo dell'acqua o ciclo idrologico e sviluppa anche tecnologie per la purificazione dell'acqua per il consumo umano, il trattamento delle acque reflue industriali e urbane, la dissalazione dell'acqua di mare, il riciclaggio e salvare questa risorsa, tra le altre.
-Il ciclo dell'acqua
Il ciclo dell'acqua sulla Terra è costituito da tre processi principali: evaporazione, condensazione e precipitazione, da cui derivano tre circuiti:
- Deflusso superficiale
- Evapotraspirazione delle piante
- L'infiltrazione, in cui l'acqua passa a livelli sotterranei (freatica), circola attraverso canali di falda ed esce attraverso sorgenti, fontane o pozzi.
Figura 4. Ciclo dell'acqua. Fonte: Wasserkreislauf.png: da: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, tramite Wikimedia Commons
-Impatti antropologici sul ciclo dell'acqua
L'attività umana ha impatti sul ciclo dell'acqua; alcune delle cause e degli effetti dell'azione antropologica sono i seguenti:
Modifica della superficie del terreno
È generato dalla distruzione di foreste e campi con la deforestazione. Ciò influisce sul ciclo dell'acqua eliminando l'evapotraspirazione (assunzione di acqua da parte delle piante e ritorno nell'ambiente per sudore ed evaporazione) e aumentando il deflusso.
L'aumento del deflusso superficiale produce un aumento del flusso di fiumi e inondazioni.
L'urbanizzazione modifica anche la superficie del terreno e influisce sul ciclo dell'acqua, poiché il terreno poroso viene sostituito da cemento impermeabile e asfalto, il che rende impossibile l'infiltrazione.
Inquinamento del ciclo dell'acqua
Il ciclo dell'acqua coinvolge l'intera biosfera e, di conseguenza, i rifiuti prodotti dall'uomo vengono incorporati in questo ciclo da diversi processi.
Gli inquinanti chimici presenti nell'aria vengono incorporati nella pioggia. Agrochimici applicati al suolo, subiscono percolato e infiltrazioni nelle falde acquifere o scorrono in fiumi, laghi e mari.
Anche gli scarti di grassi e oli ed i percolati delle discariche sanitarie, vengono convogliati per infiltrazione nelle acque sotterranee.
Estrazione di riserve idriche con scoperto in risorse idriche
Queste pratiche di scoperto producono l'esaurimento delle riserve idriche sotterranee e superficiali, influenzano gli ecosistemi e producono cedimenti locali del suolo.
Chimica ambientale del suolo
Il suolo è uno dei fattori più importanti per l'equilibrio della biosfera. Forniscono ancoraggio, acqua e sostanze nutritive alle piante, che sono produttori nelle catene trofiche terrestri.
Suolo
Il suolo può essere definito come un ecosistema complesso e dinamico di tre fasi: una fase solida con supporto minerale e organico, una fase liquida acquosa e una fase gassosa; caratterizzato dall'avere una fauna e una flora particolari (batteri, funghi, virus, piante, insetti, nematodi, protozoi).
Le proprietà del suolo sono costantemente modificate dalle condizioni ambientali e dall'attività biologica che in esso si sviluppa.
Impatti antropologici sul suolo
Il degrado del suolo è un processo che diminuisce la capacità produttiva del suolo, capace di produrre un cambiamento profondo e negativo nell'ecosistema.
I fattori che producono il degrado del suolo sono: clima, fisiografia, litologia, vegetazione e azione umana.
Figura 5. Terreno degradato. Fonte: pexels.com
Con l'azione umana può verificarsi:
- Degradazione fisica del suolo (ad esempio, compattazione dovuta a pratiche agricole e di allevamento improprie).
- Degradazione chimica del suolo (acidificazione, alcalinizzazione, salinizzazione, contaminazione con prodotti agrochimici, con effluenti da attività industriali e urbane, fuoriuscite di petrolio, tra gli altri).
- Degradazione biologica del suolo (diminuzione del contenuto di materia organica, degrado della copertura vegetale, perdita di microrganismi che fissano l'azoto, tra gli altri).
Rapporto chimico-ambiente
La chimica ambientale studia i diversi processi chimici che avvengono nei tre comparti ambientali: atmosfera, idrosfera e suolo. È interessante rivedere un approccio aggiuntivo su un semplice modello chimico, che cerca di spiegare i trasferimenti globali di materia che avvengono nell'ambiente.
-Modello Garrels e Lerman
Garrels e Lerman (1981) hanno sviluppato un modello semplificato della biogeochimica della superficie terrestre, che studia le interazioni tra l'atmosfera, l'idrosfera, la crosta terrestre e i compartimenti della biosfera inclusi.
Il modello di Garrels e Lerman considera i sette principali minerali costituenti del pianeta:
- Gesso (CaSO 4 )
- Pirite (FeS 2 )
- Carbonato di calcio (CaCO 3 )
- Carbonato di magnesio (MgCO 3 )
- Silicato di magnesio (MgSiO 3 )
- Ossido ferrico (Fe 2 O 3 )
- Biossido di silicio (SiO 2 )
La materia organica costituente della biosfera (sia viva che morta), è rappresentata come CH 2 O, che è la composizione stechiometrica approssimativa dei tessuti viventi.
Nel modello di Garrels e Lerman, i cambiamenti geologici sono studiati come trasferimenti netti di materia tra questi otto componenti del pianeta, attraverso reazioni chimiche e un bilancio netto di conservazione della massa.
L'accumulo di CO
Ad esempio, in questo modello si studia il problema dell'accumulo di CO 2 in atmosfera, dicendo che: attualmente stiamo bruciando il carbonio organico immagazzinato nella biosfera come carbone, petrolio e gas naturale depositato nel sottosuolo in tempi geologici passati .
Come risultato di questa combustione intensiva di combustibili fossili, la concentrazione di CO 2 atmosferica è in aumento.
L'aumento delle concentrazioni di CO 2 nell'atmosfera terrestre è dovuto al fatto che il tasso di combustione del carbonio fossile supera il tasso di assorbimento del carbonio da parte degli altri componenti del sistema biogeochimico terrestre (come organismi fotosintetici e idrosfera, per esempio).
In questo modo, l'emissione di CO 2 nell'atmosfera dovuta alle attività umane, supera il sistema di regolazione che modula i cambiamenti sulla Terra.
La dimensione della biosfera
Il modello sviluppato da Garrels e Lerman ritiene inoltre che le dimensioni della biosfera aumentino e diminuiscano per effetto dell'equilibrio tra fotosintesi e respirazione.
Durante la storia della vita sulla Terra, la massa della biosfera è aumentata gradualmente con alti tassi di fotosintesi. Ciò ha comportato un accumulo netto di carbonio organico e l'emissione di ossigeno:
CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2
La respirazione come attività metabolica di microrganismi e animali superiori, converte il carbonio organico in anidride carbonica (CO 2 ) e acqua (H 2 O), cioè inverte la precedente reazione chimica.
La presenza di acqua, lo stoccaggio di carbonio organico e la produzione di ossigeno molecolare sono fondamentali per l'esistenza della vita.
Applicazioni di chimica ambientale
La chimica ambientale offre soluzioni per la prevenzione, mitigazione e riparazione dei danni ambientali causati dall'attività umana. Tra alcune di queste soluzioni possiamo citare:
- Il design di nuovi materiali chiamati MOF's (per il suo acronimo in inglese: Metal Organic Frameworks). Questi sono molto porosi e hanno la capacità di: assorbire e trattenere CO 2 , ottenere H 2 O dal vapore dell'aria nelle zone desertiche e immagazzinare H 2 in piccoli contenitori.
- La conversione dei rifiuti in materie prime. Ad esempio, l'uso di pneumatici usurati nella produzione di erba artificiale o suole di scarpe. Anche l'uso di scarti di potatura delle colture, nella generazione di biogas o bioetanolo.
- Sintesi chimiche di sostituti CFC.
- Lo sviluppo di energie alternative, come le celle a idrogeno, per la generazione di elettricità non inquinante.
- Il controllo dell'inquinamento atmosferico, con filtri inerti e filtri reattivi.
- Dissalazione dell'acqua di mare mediante osmosi inversa.
- Lo sviluppo di nuovi materiali per la flocculazione di sostanze colloidali sospese in acqua (processo di purificazione).
- L'inversione dell'eutrofizzazione dei laghi.
- Lo sviluppo della "chimica verde", tendenza che propone la sostituzione di composti chimici tossici con altri meno tossici, e procedure chimiche "rispettose dell'ambiente". Ad esempio, viene applicato nell'uso di solventi e materie prime meno tossici, nell'industria, nel lavaggio a secco delle lavanderie, tra gli altri.
Riferimenti
- Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. e Cantrell, CA (1985). Meccanismi chimici della generazione di acido nella troposfera. Natura, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
- Crutzen, PJ (1970). L'influenza degli ossidi di azoto sul contenuto atmosferico. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
- Garrels, RM e Lerman, A. (1981). Cicli fanerozoici di carbonio sedimentario e zolfo. Atti della Natural Academy of Sciences. USA 78: 4,652-4,656.
- Hester, RE e Harrison, RM (2002). Cambiamento ambientale globale. Royal Society of Chemistry. pagg 205.
- Hites, RA (2007). Elementi di chimica ambientale. Wiley-Interscience. pagg 215.
- Manahan, SE (2000). Chimica ambientale. Settima edizione. CRC. pagg 876
- Molina, MJ e Rowland, FS (1974). Dissipatore stratosferico per clorofluorometani: distruzione dell'ozono catalizzata da atomi di cloro. Natura. 249: 810-812.
- Morel, FM e Hering, JM (2000). Principi e applicazioni della chimica acquatica. New York: John Wiley.
- Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. e Goliff, WS (2011). Una revisione della chimica atmosferica troposferica e dei meccanismi chimici in fase gassosa per la modellazione della qualità dell'aria. Atmosfera, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001