Область вивчення та застосування екологічної хімії

The хімія навколишнього середовища Вона вивчає хімічні процеси, що відбуваються на екологічному рівні. Це наука, яка застосовує хімічні принципи до вивчення екологічних показників і впливів, які генерує діяльність людини.

Крім того, екологічна хімія розробляє методи запобігання, пом'якшення та відновлення існуючих екологічних збитків.

Хімія навколишнього середовища може бути поділена на три основні дисципліни:

1. Екологічна хімія атмосфери.
2. Хімія навколишнього середовища гідросфери.
3. Екологічна хімія грунту.

Комплексний підхід до хімії навколишнього середовища також вимагає вивчення взаємозв'язків між хімічними процесами, що відбуваються в цих трьох відділеннях (атмосфера, гідросфера, ґрунт) та їх зв'язки з біосферою..

Індекс

• 1 Хімія навколишнього середовища
  • 1.1 -Стратосфера
  • 1.2 -Троспосфера
• 2 Хімія навколишнього середовища гідросфери
  • 2.1 - Прісна вода
  • 2.2 - Цикл води
  • 2.3 - Антропологічні впливи на кругообіг води
• 3 Екологічна хімія грунту
  • 3.1 Грунт
  • 3.2 Антропологічні впливи на ґрунт
• 4 Хіміко-екологічні відносини
  • 4.1 - Модель Гаррельс і Лерман
• 5 Застосування хімії навколишнього середовища
• 6 Посилання

Екологічна хімія атмосфери

Атмосфера - це шар газів, що оточує Землю; це дуже складна система, де температура, тиск і хімічний склад змінюються в залежності від висоти в дуже широких діапазонах.

Сонце бомбардує атмосферу радіацією і високоенергетичними частинками; цей факт має дуже значні хімічні ефекти у всіх шарах атмосфери, але, зокрема, у найвищих і зовнішніх шарах.

-Стратосфера

Реакції фотодисоціації та фотоіонізації відбуваються у зовнішніх областях атмосфери. У районі від 30 до 90 км у висоту, виміряному від земної поверхні, в стратосфері розташований шар, що містить переважно озон (АБО)₃), називається озоновим шаром.

Озоновий шар

Озон поглинає високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання, яке надходить від Сонця, а якщо не для існування цього шару, то не відомий спосіб життя на планеті, може існувати.

У 1995 році хіміки-атмосфери Маріо Дж. Моліна (мексиканський), Френк С. Роуленд (американський) і Павло Крутцен (голландський), отримали Нобелівську премію з хімії за свої дослідження щодо руйнування і виснаження озону в стратосфері..

У 1970 році Крутцен показав, що оксиди азоту знищують озон за допомогою каталітичних хімічних реакцій. Згодом Моліна та Роуланд у 1974 році показали, що хлор хлорфторуглеродних сполук (ХФУ) також здатний руйнувати озоновий шар.

-Тропосфера

Атмосферний шар безпосередньо над земною поверхнею, висотою від 0 до 12 км, називається тропосферою, складається в основному з азоту (N₂) і кисню (O₂).

Токсичні гази

У результаті людської діяльності тропосфера містить багато додаткових хімічних речовин, які розглядаються як забруднювачі повітря, такі як:

• Діоксид і монооксид вуглецю (CO₂ і CO).
• Метан (СН₄).
• Оксид азоту (NO).
• Діоксид сірки (SO)₂).
• Озон O₃ (вважається забруднювачем в тропосфері)
• Летючі органічні сполуки (ЛОС), порошки або тверді частинки.

Серед багатьох інших речовин, які впливають на здоров'я людини і рослин і тварин.

Кислотні дощі

Оксиди сірки (SO₂ і SO₃та азотні, такі як закис азоту (NO₂), викликати іншу екологічну проблему під назвою кислотний дощ.

Ці оксиди, присутні в тропосфері в основному в якості продуктів згоряння викопних палив у виробничій діяльності та транспорті, реагують з дощовою водою, що виробляє сірчану кислоту і азотну кислоту, з наступними кислотними опадами.

Осаджуючи цей дощ, який містить сильні кислоти, він викликає кілька екологічних проблем, таких як підкислення морів і прісних вод. Це викликає загибель водних організмів; підкислення ґрунтів, що призводить до загибелі сільськогосподарських культур та знищення шляхом хімічної корозійної дії будівель, мостів та пам'ятників.

Інші атмосферні проблеми навколишнього середовища - це фотохімічний смог, викликаний головним чином оксидами азоту і тропосферним озоном

Глобальне потепління

Глобальне потепління викликається високими концентраціями СО₂ атмосферні та інші парникові гази (ПГ), які поглинають велику частину інфрачервоного випромінювання, випромінюваного поверхнею Землі, і утримують тепло в тропосфері. Це породжує зміну клімату на планеті.

Хімія навколишнього середовища гідросфери

Гідросфера відповідає всім водним об'єктам Землі: поверхневим або гумеданським - океани, озера, річки, джерела - і підземні або водоносні горизонти.

-Прісна вода

Вода є найпоширенішою рідкою речовиною на планеті, охоплює 75% земної поверхні і є абсолютно необхідною для життя.

Всі форми життя залежать від прісної води (визначається як вода з вмістом солі менше 0,01%). 97% води планети є солоною водою.

З решти 3% прісної води, 87% знаходиться в:

• Полюси Землі (які плавляться і вливаються в моря через глобальне потепління).
• Льодовики (також у процесі зникнення).
• Підземні води.
• Вода у вигляді пари присутній в атмосфері.

Лише 0,4% загальної кількості прісної води планети доступно для споживання. Випаровування води з океанів і опади дощів постійно забезпечують цей невеликий відсоток.

Хімія навколишнього середовища досліджує хімічні процеси, що відбуваються у водному циклі або гідрологічному циклі, а також розробляє технології очищення води для споживання людиною, очищення промислових і міських стічних вод, опріснення морської води, утилізацію води і збереження цього ресурсу, серед інших.

-Цикл води

Цикл води на Землі складається з трьох основних процесів: випаровування, конденсації та опадів, з яких виводяться три контури:

1. Поверхневий стік
2. Евапотранспірація рослин
3. Інфільтрація, в якій вода проходить в підземні рівні (підземні води), циркулює по каналах водоносних горизонтів і виходить через джерела, джерела або свердловини.

-Антропологічні впливи на кругообіг води

Діяльність людини впливає на кругообіг води; Деякі з причин і наслідків антропологічної дії такі:

Модифікація поверхні суші

Вона породжується знищенням лісів і родовищ з вирубкою лісів. Це впливає на кругообіг води, усуваючи евапотранспірацію (приймаючи воду через рослини і повертаючись до навколишнього середовища через транспірацію і випаровування) і збільшуючи сток води.

Збільшення поверхневого стоку призводить до збільшення потоків річок і повеней.

Урбанізація також змінює поверхню землі і впливає на кругообіг води, оскільки пористий ґрунт замінюється цементом і непроникним асфальтом, що робить неможливим інфільтрацію..

Забруднення водного циклу

Кругообіг води охоплює всю біосферу і, отже, відходи, що утворюються людиною, включаються в цей цикл різними процесами.

Хімічні забруднюючі речовини в повітрі включені в дощ. Агрохімікати, що потрапляють в ґрунт, переносять фільтрацію та проникають у водоносні горизонти, або впадають у річки, озера та моря.

Крім того, відходи жирів і масел і фільтрат з полігонів, затягуються шляхом проникнення в підземні води.

Видобуток водних ресурсів з овердрафтом у водних ресурсах

Ці практики з овердрафтом, призводять до виснаження запасів підземних і поверхневих вод, впливають на екосистеми і забезпечують локальне просідання ґрунтів.

Екологічна хімія грунту

Areрунти є одним з найважливіших факторів балансу біосфери. Вони забезпечують закріплення, воду та поживні речовини рослинам, які є виробниками в наземних трофічних ланцюгах.

Підлога

Грунт можна визначити як складну і динамічну екосистему з трьох фаз: тверду фазу мінеральної та органічної підтримки, водну рідку фазу і газову фазу; характеризуються наявністю певної фауни і флори (бактерії, гриби, віруси, рослини, комахи, нематоди, найпростіші).

Властивості ґрунту постійно змінюються внаслідок екологічних умов і біологічної активності, що розвивається в ній..

Антропологічні впливи на землю

Деградація ґрунтів - це процес, який знижує виробничу здатність ґрунту, здатний виробляти глибокі та негативні зміни в екосистемі.

Факторами, що призводять до деградації ґрунтів, є: клімат, фізіографія, літологія, рослинність та дія людини.

За допомогою людської дії може відбуватися:

• Фізична деградація ґрунту (наприклад, ущільнення внаслідок неадекватного обробітку та ведення тваринництва).
• Хімічна деградація ґрунту (підкислення, алкалізація, засолення, забруднення агрохімікатами, стічні води з промислової та міської діяльності, розливи нафти та ін.).
• Біологічна деградація ґрунту (зниження вмісту органічної речовини, деградація рослинного покриву, втрата азотфіксуючих мікроорганізмів та ін.).

Хіміко-екологічні відносини

Хімія навколишнього середовища вивчає різні хімічні процеси, що відбуваються в трьох екологічних відділах: атмосфері, гідросфері та грунті. Цікаво розглянути додатковий акцент на простій хімічній моделі, яка намагається пояснити глобальні передачі речовини, що відбувається в навколишньому середовищі.

-Модель Гаррелс і Лерман

Гаррелс і Лерман (1981) розробили спрощену модель біогеохімії поверхні Землі, яка вивчає взаємодію атмосфери, гідросфери, земної кори і біосфери..

Модель Гаррелса і Лермана розглядає сім основних складових мінералів планети:

1. Штукатурка (CaSO₄)
2. Пірит (FeS₂)
3. Карбонат кальцію (CaCO₃)
4. Карбонат магнію (MgCO₃)
5. Силікат магнію (MgSiO₃)
6. Оксид заліза (Fe₂O₃)
7. Діоксид кремнію (SiO)₂)

Органічна речовина, що становить біосферу (як живу, так і мертву), представлена ​​як CH₂Або, який є приблизним стехіометричним складом живих тканин.

У моделі Гарреля і Лермана вивчаються геологічні зміни як чисті передачі речовини між цими вісьма компонентами планети, через хімічні реакції та баланс чистої маси..

Накопичення CO₂ в атмосфері

Наприклад, проблема накопичення СО₂ в атмосфері вивчається в цій моделі, кажучи, що: в даний час ми спалюємо органічний вуглець, що зберігається в біосфері, як вугілля, нафту і природний газ, депоновані в надрах в минулі геологічні часи..

В результаті цього інтенсивного спалювання викопного палива, концентрація СО₂ атмосферне зростає.

Збільшення концентрацій СО₂ в земній атмосфері це відбувається тому, що швидкість спалювання викопного вуглецю перевищує швидкість поглинання вуглецю іншими компонентами біогеохімічної системи Землі (наприклад, фотосинтетичні організми і гідросфера, наприклад).

Таким чином, викид CO₂ До атмосфери завдяки діяльності людини, перевершує регуляторну систему, що модулює зміни на Землі.

Розмір біосфери

Модель, розроблена Гаррелсом і Лерманом, також вважає, що розмір біосфери збільшується і зменшується в результаті балансу між фотосинтезом і диханням.

За всю історію життя на Землі маса біосфери збільшувалася поетапно з високими показниками фотосинтезу. Це призвело до чистого зберігання викидів органічного вуглецю та кисню:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Дихання, як метаболічна активність мікроорганізмів і вищих тварин, перетворює органічний вуглець назад у вуглекислий газ (CO₂) і води (Н₂O), тобто змінює попередню хімічну реакцію.

Наявність води, зберігання органічного вуглецю і виробництво молекулярного кисню є фундаментальними для існування життя.

Застосування хімії навколишнього середовища

Хімія навколишнього середовища пропонує рішення для запобігання, пом'якшення та усунення шкоди навколишньому середовищу, викликаної людською діяльністю. Серед деяких з цих рішень можна згадати:

• Дизайн нових матеріалів, які називаються MOF (для його скорочення англійською мовою: Металеві органічні рамки). Вони дуже пористі і мають здатність: поглинати і утримувати CO₂, отримують H₂Або повітряні пари з пустельних районів і зберігати H₂ у невеликих контейнерах.
• Перетворення відходів на сировину. Наприклад, використання зношених шин у виробництві штучної трави або підошви взуття. Також використовується обрізка відходів рослинництва, у виробництві біогазу або біоетанолу.
• Хімічний синтез замінників ХФУ.
• Розробка альтернативних енергій, таких як водневі клітини, для генерації чистої електроенергії.
• Контроль атмосферного забруднення, з інертними фільтрами і реактивними фільтрами.
• Знесолення морської води шляхом зворотного осмосу.
• Розробка нових матеріалів для флокуляції колоїдних речовин, суспендованих у воді (процес очищення).
• Повернення евтрофікації озер.
• Розвиток "зеленої хімії", тенденція, що пропонує заміщення токсичних хімічних сполук менш токсичними, і "екологічно чисті" хімічні процедури. Наприклад, він застосовується у використанні менш токсичних розчинників і сировини, в промисловості, в хімчистці пралень, серед інших..

Список літератури

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., і Cantrell, C.A. (1985). Хімічні механізми генерації кислот в тропосфері. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Вплив оксидів азоту на вміст атмосфери. Q.J.R. Метеорол. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. і Lerman, A. (1981). Фанерозойські цикли осадового вуглецю і сірки. Праці природної академії наук. США 78: 4,652-4,656.
4. Хестер Р. Е. і Харрісон Р. М. (2002). Глобальні зміни навколишнього середовища. Королівське хімічне товариство. 205.
5. Hites, R. A. (2007). Елементи хімії навколишнього середовища. Wiley-Interscience. п. п. 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Хімія навколишнього середовища. Сьоме видання. CRC pp. 876
7. Molina, M.J. і Rowland, F.S. (1974). Стратосферная раковина для хлорфторметанів: руйнування озону, що каталізується атомом хлору. Природа 249: 810-812.
8. Morel, F.M. і Hering, J.M. (2000). Принципи та застосування водної хімії. Нью-Йорк: Джон Віллі.
9. Stockwell, W.R., Lawson, C.V., Saunders, E., і Goliff, W.S. (2011). Огляд тропосферної хімії атмосфери та газофазних хімічних механізмів моделювання якості повітря. Атмосфера, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001