APLINKOS CHEMIJA: STUDIJŲ SRITIS IR TAIKYMO SRITIS - APLINKA - 2025

Aplinkos chemija studijuoja cheminius procesus, kurie vyksta į aplinkos lygiu. Tai yra mokslas, kuris cheminius principus taiko tyrinėdamas aplinkosauginį veiksmingumą ir žmogaus veiklos sukeliamą poveikį.

Be to, aplinkos chemija kuria esamos žalos aplinkai prevencijos, švelninimo ir ištaisymo būdus.

1 pav. Antžeminės atmosferos, hidrosferos, litosferos ir biosferos diagrama. Šaltinis: Bojana Petrović, iš „Wikimedia Commons“

Aplinkos chemiją galima suskirstyti į tris pagrindines disciplinas, kurios yra:

1. Aplinkos atmosferos chemija.
2. Aplinkos hidrosferos chemija.
3. Dirvožemio aplinkos chemija.

Išsamus požiūris į aplinkos chemiją taip pat reikalauja ištirti cheminių procesų, vykstančių šiuose trijuose skyriuose (atmosfera, hidrosfera, dirvožemis), sąsajas su jų ryšiu su biosfera.

Aplinkos atmosferos chemija

Atmosfera yra aplink Žemę esantis dujų sluoksnis; tai sudaro labai sudėtingą sistemą, kur temperatūra, slėgis ir cheminė sudėtis kinta priklausomai nuo aukščio labai plačiuose diapazonuose.

Saulė bombarduoja atmosferą radiacija ir didelės energijos dalelėmis; šis faktas daro labai didelį cheminį poveikį visuose atmosferos sluoksniuose, bet ypač viršutiniame ir išoriniame sluoksniuose.

-Stratosfera

Fotodisociacijos ir fotoionizacijos reakcijos vyksta išoriniuose atmosferos regionuose. 30–90 km ilgio regione, matuojant nuo žemės paviršiaus, stratosferoje yra sluoksnis, kuriame daugiausia yra ozono (O ₃ ), vadinamas ozono sluoksniu.

Ozono sluoksnis

Ozonas sugeria aukštos energijos ultravioletinę spinduliuotę, gaunamą iš saulės, ir jei ne šis sluoksnis egzistuotų, nė viena žinoma planetos gyvybės forma negalėtų išgyventi.

1995 m. Atmosferos chemikai Mario J. Molina (meksikietis), Frank S. Rowland (amerikietis) ir Paul Crutzen (olandas) laimėjo Nobelio chemijos premiją už savo ozono naikinimo ir ardymo stratosferoje tyrimus.

2 pav. Ozono sluoksnio ardymo schema. Iš nasa.gov

1970 m. Crutzen parodė, kad azoto oksidai naikina ozoną vykstant katalizinėms cheminėms reakcijoms. Vėliau Molina ir Rowland 1974 m. Parodė, kad chloro chlorfluorangliavandenilių junginiuose (CFC) esantis chloras taip pat gali sunaikinti ozono sluoksnį.

-Troposfera

Netoli žemės paviršiaus esančio nuo 0 iki 12 km aukščio atmosferos sluoksnį, vadinamą troposfera, daugiausia sudaro azotas (N ₂ ) ir deguonis (O ₂ ).

Toksiškos dujos

Dėl žmogaus veiklos troposferoje yra daug papildomų cheminių medžiagų, laikomų oro teršalais, tokių kaip:

• Anglies dioksidas ir monoksidas (CO ₂ ir CO).
• Metanas (CH ₄ ).
• Azoto oksidas (NO).
• Sieros dioksidas (SO ₂ ).
• Ozonas O ₃ (laikomas teršalu troposferoje)
• Lakieji organiniai junginiai (LOJ), milteliai arba kietosios dalelės.

Tarp daugelio kitų medžiagų, turinčių įtakos žmonių, augalų ir gyvūnų sveikatai.

Rūgštūs lietūs

Sieros oksidai (SO ₂ ir SO ₃ ) ir azoto oksidai, tokie kaip azoto oksidas (NO ₂ ), sukelia kitą aplinkos problemą, vadinamą rūgščiu lietaus.

Šie oksidai, esantys troposferoje daugiausia kaip iškastinio kuro deginimo pramoninėje veikloje ir transportavimo metu produktai, reaguoja su lietaus vandeniu, sukurdami sieros rūgštį ir azoto rūgštį, ir dėl to susidaro rūgštys.

3 pav. Rūgštaus lietaus schema. Šaltinis: Alfredsito94, iš „Wikimedia Commons“

Krituliai, kuriuose yra stiprių rūgščių, lemia keletą aplinkos problemų, tokių kaip jūrų ir gėlo vandens rūgštėjimas. Tai lemia vandens organizmų mirtį; dirvožemio rūgštėjimas, dėl kurio pasėliai žūva, o pastatai, tiltai ir paminklai sunaikinami korozijos būdu.

Kitos atmosferos aplinkos problemos yra fotocheminis smogas, kurį daugiausia sukelia azoto oksidai ir troposferos ozonas.

Visuotinis atšilimas

Visuotinį atšilimą lemia didelė atmosferos CO ₂ ir kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų (ŠESD) koncentracija, kuri sugeria didžiąją dalį Žemės paviršiaus skleidžiamos infraraudonosios spinduliuotės ir sulaiko šilumą troposferoje. Tai sukelia klimato pokyčius planetoje.

Aplinkos hidrosferos chemija

Hidrosferą sudaro visi žemėje esantys vandens telkiniai: paviršiaus ar šlapžemės - vandenynai, ežerai, upės, šaltiniai - ir požeminiai ar vandeningi sluoksniai.

-Šviežias vanduo

Vanduo yra labiausiai paplitusi skysta medžiaga planetoje, jis užima 75% žemės paviršiaus ir yra būtinas gyvybei.

Visos gyvybės formos priklauso nuo gėlo vandens (apibrėžto kaip vanduo, kuriame druskos kiekis yra mažesnis nei 0,01%). 97% planetos vandens yra sūrus vanduo.

Iš likusių 3% gėlo vandens 87% yra:

• Žemės poliai (kurie tirpsta ir liejasi į jūras dėl globalinio atšilimo).
• Ledynai (taip pat nyksta).
• Požeminis vanduo.
• Vanduo garų pavidalu, esantis atmosferoje.

Tik 0,4% viso planetos gėlo vandens galima vartoti. Vandens išgaravimas iš vandenynų ir lietaus kritulių ištisinis procentas yra tas.

Vandens aplinkos chemija tiria cheminius procesus, vykstančius vandens cikle ar hidrologiniame cikle, taip pat kuria technologijas žmonėms vartoti skirtam vandeniui valyti, pramoninėms ir miesto nuotekoms valyti, jūros vandeniui gėlinti, perdirbti. ir taupyti šiuos išteklius, be kita ko.

-Vandens ciklas

Vandens ciklą Žemėje sudaro trys pagrindiniai procesai: išgarinimas, kondensacija ir krituliai, iš kurių išplaukia trys kontūrai:

1. Paviršiaus nuotėkis
2. Augalų evapotranspiracija
3. Infiltracija, kurios metu vanduo pereina į požeminius lygius (freatic), cirkuliuoja vandeningojo sluoksnio kanalais ir palieka per šaltinius, fontanus ar šulinius.

4 paveikslas. Vandens ciklas. Šaltinis: Wasserkreislauf.png: iš: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropologinis poveikis vandens ciklui

Žmogaus veikla turi įtakos vandens ciklui; kai kurios antropologinio veiksmo priežastys ir padariniai yra šie:

Žemės paviršiaus modifikavimas

Jis susidaro naikinant miškus ir laukus, kertant miškus. Tai daro įtaką vandens ciklui pašalindama garų iškvėpimą (augalų įsisavinimą ir grįžimą į aplinką prakaitavus bei išgarinant) ir padidinant nuotėkį.

Padidėjęs paviršiaus nuotėkis padidina upių tėkmę ir potvynius.

Urbanizacija taip pat keičia žemės paviršių ir daro įtaką vandens ciklui, nes porėtą dirvožemį keičia nelaidus cementas ir asfaltas, todėl infiltracija neįmanoma.

Vandens ciklo tarša

Vandens ciklas apima visą biosferą, todėl žmonių susidariusios atliekos į šį ciklą įtraukiamos skirtingais procesais.

Ore esantys cheminiai teršalai patenka į lietų. Dėl dirvožemyje naudojamų agrochemikalų kenčia filtratas ir infiltracija į vandeningus sluoksnius arba jie patenka į upes, ežerus ir jūras.

Taip pat riebalų ir aliejaus atliekos bei sanitarinių sąvartynų išplovos patenka infiltruojant į požeminius vandenis.

Vandens atsargų gavimas su vandens išteklių pereikvojimu

Dėl šios sąskaitos pertekliaus išeikvojami požeminiai ir paviršinio vandens ištekliai, daromos įtakos ekosistemoms ir vietiniame dirvožemyje.

Dirvožemio aplinkos chemija

Dirvožemis yra vienas iš svarbiausių biosferos pusiausvyros veiksnių. Jie teikia tvirtinimą, vandenį ir maistines medžiagas augalams, kurie yra sausumos trofinių grandinių gamintojai.

Dirvožemis

Dirvožemį galima apibūdinti kaip sudėtingą ir dinamišką trijų fazių ekosistemą: kietą fazę su mineraline ir organine atrama, vandeninę skystąją fazę ir dujinę fazę; pasižymi ypatinga fauna ir flora (bakterijomis, grybeliais, virusais, augalais, vabzdžiais, nematodais, pirmuonimis).

Dirvožemio savybes nuolat keičia aplinkos sąlygos ir joje vykstantis biologinis aktyvumas.

Antropologinis poveikis dirvožemiui

Dirvožemio degradacija yra procesas, mažinantis dirvožemio produktyvumą, galintį sukelti esminius ir neigiamus ekosistemos pokyčius.

Dirvožemį degraduojantys veiksniai yra: klimatas, fiziografija, litologija, augmenija ir žmogaus veiksmai.

5 pav. Pažeistas dirvožemis. Šaltinis: pexels.com

Žmogaus veiksmai gali atsirasti:

• Fizinis dirvožemio degradacija (pavyzdžiui, sutankinimas dėl netinkamo ūkininkavimo ir rapsų auginimo praktikos).
• Cheminis dirvožemio skaidymas (parūgštinimas, šarminimas, druskingumas, užteršimas agrocheminėmis medžiagomis, pramoninės ir miesto veiklos nuotekomis, naftos išsiliejimu, be kita ko).
• Biologinis dirvožemio irimas (organinių medžiagų kiekio sumažėjimas, augmenijos dangos irimas, azotą fiksuojančių mikroorganizmų netekimas, be kita ko).

Cheminis ir aplinkos ryšys

Aplinkos chemija tiria įvairius cheminius procesus, vykstančius trijuose aplinkos skyriuose: atmosferoje, hidrosferoje ir dirvožemyje. Įdomu apžvelgti papildomą požiūrį į paprastą cheminį modelį, kuriuo bandoma paaiškinti visuotinį materijos perdavimą aplinkoje.

-Modelis Garrelsas ir Lermanas

Garrelsas ir Lermanas (1981) sukūrė supaprastintą Žemės paviršiaus biogeochemijos modelį, kuris tiria atmosferos, hidrosferos, žemės plutos ir įtrauktų biosferos skyrių sąveiką.

„Garrels and Lerman“ modelyje nagrinėjami septyni pagrindiniai planetos mineralai:

1. Gipsas (CaSO ₄ )
2. Piritas (FeS ₂ )
3. Kalcio karbonatas (CaCO ₃ )
4. Magnio karbonatas (MgCO ₃ )
5. Magnio silikatas (MgSiO ₃ )
6. Geležies oksidas (Fe ₂ O ₃ )
7. Silicio dioksidas (SiO ₂ )

Sudėtinga biosferos organinė medžiaga (ir gyva, ir negyva) vaizduojama kaip CH ₂ O, kuri yra apytikslė stechiometrinė gyvų audinių sudėtis.

Garrelso ir Lermano modelyje geologiniai pokyčiai tiriami kaip grynasis medžiagų perdavimas tarp šių aštuonių planetos komponentų, vykstant cheminėms reakcijoms ir grynajam masės išsaugojimo balansui.

CO kaupimasis

Pavyzdžiui, šiame modelyje nagrinėjama CO ₂ kaupimosi atmosferoje problema teigiant, kad: šiuo metu mes deginame biosferoje saugomą organinę anglį kaip anglis, naftą ir gamtines dujas, esančias podirvyje praeities geologiniais laikais. .

Dėl šio intensyvaus iškastinio kuro deginimo didėja atmosferos CO ₂ koncentracija .

CO ₂ koncentracijos padidėjimas Žemės atmosferoje padidėjo dėl to, kad iškastinio anglies deginimo sparta viršija kitų Žemės biogeocheminės sistemos komponentų (tokių kaip fotosintetiniai organizmai ir pvz., hidrosfera).

Tokiu būdu dėl žmogaus veiklos išmetamas į atmosferą CO ₂ viršija reguliavimo sistemą, moduliuojančią pokyčius Žemėje.

Biosferos dydis

Garrels ir Lerman sukurtas modelis taip pat mano, kad biosferos dydis padidėja ir sumažėja dėl pusiausvyros tarp fotosintezės ir kvėpavimo.

Gyvybės Žemėje istorijos metu biosferos masė didėjo etapais ir buvo didelis fotosintezės greitis. Tai sąlygojo organinės anglies saugojimą ir deguonies išmetimą:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Kvėpavimas kaip metabolinis mikroorganizmų ir aukštesnių gyvūnų aktyvumas paverčia organinę anglį atgal į anglies dioksidą (CO ₂ ) ir vandenį (H ₂ O), tai yra, jis panaikina ankstesnę cheminę reakciją.

Vanduo, organinės anglies kaupimasis ir molekulinio deguonies gamyba yra gyvybiškai svarbūs dalykai.

Aplinkos chemijos programos

Aplinkos chemija siūlo sprendimus, kaip išvengti, sušvelninti ir ištaisyti žmogaus veiklos padarytą žalą aplinkai. Tarp kai kurių iš šių sprendimų galime paminėti:

• Naujų medžiagų, vadinamų MOF (metal Organic Framework), dizainas. Jie yra labai poringi ir gali: absorbuoti ir sulaikyti CO ₂ , iš oro garų dykumose gauti H ₂ O ir laikyti H ₂ mažose talpyklose.
• Atliekų pavertimas žaliavomis. Pavyzdžiui, susidėvėjusių padangų naudojimas dirbtinės žolės ar batų padų gamyboje. Taip pat pasėlių genėjimo atliekų panaudojimas kuriant biodujas ar bioetanolį.
• CFC pakaitalų cheminės sintezės.
• Alternatyvių energijos rūšių, tokių kaip vandenilio elementai, plėtra neteršiančiai elektrai gaminti.
• Atmosferos taršos kontrolė naudojant inertinius ir reaktyviuosius filtrus.
• Jūros vandens gėlinimas atvirkštine osmoze.
• Naujų medžiagų, skirtų koloidinių medžiagų, suspenduotų vandenyje, flokuliacijai kūrimas (gryninimo procesas).
• Ežero eutrofikacijos atgręžimas.
• „Žaliosios chemijos“, tendencijos, siūlančios pakeisti toksiškus cheminius junginius mažiau toksiškais, plėtra ir „ekologiškos“ cheminės procedūros. Pavyzdžiui, jis naudojamas naudojant mažiau toksiškus tirpiklius ir žaliavas, pramonėje, be kitų, sausam skalbyklų plovimui.

Nuorodos

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, B. G., Walega, JG, Lind, J. ir Cantrell, CA (1985). Cheminiai rūgščių susidarymo troposferoje mechanizmai. „Nature“, 317 (6032), 27–35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Azoto oksidų įtaka atmosferos kiekiui. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM ir Lerman, A. (1981). Pianerozoiniai nuosėdinės anglies ir sieros ciklai. Gamtos mokslų akademijos leidiniai. JAV 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE ir Harrison, RM (2002). Visuotiniai aplinkos pokyčiai. Karališkoji chemijos draugija. 205 psl.
5. „Hites“, RA (2007). Aplinkos chemijos elementai. „Wiley-Interscience“. 215 psl.
6. Manahanas, SE (2000). Aplinkos chemija. Septintas leidimas. CRC. 876 psl
7. Molina, MJ ir Rowland, FS (1974). Stratosferos chlorofluormetanų kriauklė: Chloro atomų katalizuojamas ozono sunaikinimas. Gamta. 249: 810-812.
8. Morelis, FM ir Heringas, JM (2000). Vandens chemijos principai ir pritaikymas. Niujorkas: Johnas Wiley.
9. Stockwellas, WR, Lawsonas, CV, Saundersas, E., ir Goliffas, WS (2011). Troposferinės atmosferos chemijos ir dujų fazių cheminių mechanizmų apžvalga oro kokybei modeliuoti. Atmosfera, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001