תחום כימיה סביבתי של מחקר ויישומים

ה כימיה סביבתית הוא בוחן את התהליכים הכימיים המתרחשים ברמה הסביבתית. מדע זה מיישם עקרונות כימיים לחקר הביצועים הסביבתיים וההשפעות הנובעות מפעילות אנושית.

בנוסף, כימיה סביבתית מתכננת מניעה, הקלה ושיפור טכניקות לנזק סביבתי קיים.

ניתן לחלק את הכימיה הסביבתית לשלושה תחומים בסיסיים שהם:

1. כימיה סביבתית של האטמוספירה.
2. כימיה סביבתית של הידרוספרה.
3. כימיה של קרקע סביבתית.

גישה מקיפה לכימיה הסביבתית דורשת גם מחקר של קשרי הגומלין בין התהליכים הכימיים המתרחשים בשלושת התאים הללו (אטמוספרה, הידרוספרה, אדמה) ויחסם עם הביוספרה.

אינדקס

• 1 כימיה סביבתית של האטמוספירה
  • 1.1 -Stratosphere
  • 1.2 -טרופוספירה
• 2 כימיה סביבתית של ההידרוספרה
  • 2.1 - מים מתוקים
  • 2.2 - מחזור המים
  • 2.3 - השפעות אנתרופולוגיות על מחזור המים
• 3 כימיה קרקעית סביבתית
  • 3.1 הקרקע
  • 3.2 השפעות אנטרופולוגיות על הקרקע
• 4 יחסי כימיה וסביבה
  • 4.1 -מודל גרלר ולרמן
• 5 יישומים של כימיה סביבתית
• 6 הפניות

כימיה סביבתית של האטמוספירה

האווירה היא שכבת הגזים המקיפה את כדור הארץ; זוהי מערכת מורכבת מאוד, שבה הטמפרטורה, הלחץ וההרכב הכימי משתנים עם הגבהים בטווח רחב מאוד.

השמש מפציצה את האטמוספירה עם קרינה וחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה; עובדה זו יש השפעות כימיות משמעותיות מאוד בכל שכבות האווירה, אבל בפרט, בשכבות הגבוהות והחיצוניות.

-סטרטוספירה

Photodissociation ו photionization תגובות להתרחש באזורים החיצוניים של האטמוספירה. באזור שבין 30 ל -90 ק"מ גובה הנמדד ממשטח כדור הארץ, בסטרטוספירה, נמצאת שכבה המכילה בעיקר אוזון (או₃), המכונה שכבת האוזון.

שכבת האוזון

אוזון סופג קרינה אולטרה סגולה באנרגיה גבוהה שמגיעה מהשמש, ואם לא לקיומה של שכבה זו, אין דרך חיים ידועה על פני כדור הארץ, יכולה להתקיים.

בשנת 1995, מריו ג'יי מולינה כימיקלים אטמוספרי (מקסיקני), פרנק ס Rowland (ארה"ב) ופול קרוצן (הולנדית), זכה בפרס נובל בכימיה על מחקרו בתחום חורבן ודלדול של האוזון בסטרטוספרה.

בשנת 1970 הראה קרוטזן כי תחמוצות חנקן הורסות אוזון באמצעות תגובות כימיות קטליטי. לאחר מכן Molina ו Rowland בשנת 1974, הראה כי כלור של תרכובות כלורופלואורוקרבון (CFC), הוא גם מסוגל להרוס את שכבת האוזון.

-טרופוספירה

שכבת האטמוספירה מיד מעל פני השטח של כדור הארץ, בין 0 ל 12 ק"מ גבוהה, המכונה הטרופוספירה, מורכב בעיקר חנקן (N₂) וחמצן (O₂).

גזים רעילים

כתוצאה מפעילות אנושית, הטרופוספירה מכילה כימיקלים רבים נוספים הנחשבים כמזהמי אוויר, כגון:

• פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני (CO₂ ו CO).
• מתאן (CH₄).
• תחמוצות חנקן (NO).
• דו תחמוצת הגופרית (SO)₂).
• אוזון O₃ (נחשב זיהום הטרופוספירה)
• תרכובות אורגניות נדיפות (VOC), אבקות או חלקיקים מוצקים.

בין חומרים רבים אחרים, המשפיעים על בריאות האדם והצמח ובעלי חיים.

גשם חומצי

תחמוצות גפרית (SO₂ וכן הלאה₃) וחנקן כגון תחמוצת החנקן (NO₂), לגרום בעיה סביבתית נוספת הנקראת גשם חומצי.

תחמוצות אלה, בעיקר נוכח הטרופוספירה כמו תוצרי השריפה של דלקים מאובנים תחבורה ותעשייה מגיבות עם מי גשמים כדי לייצר חומצה גופרתית וחומצה חנקתית, עם ממטרי חומצה סוגרים.

על ידי הגברת הגשם הזה המכיל חומצות חזקות, הוא מעורר מספר בעיות סביבתיות כגון החמצה של הים והמים הטריים. זה גורם למוות של אורגניזמים מימיים; את החמצה של קרקעות שגורמת למוות של יבולים והרס על ידי פעולה כימית קורוזיבית של מבנים, גשרים ומונומנטים.

בעיות סביבתיות אחרות באטמוספירה הן ערפיח פוטוגימי, הנגרמות בעיקר על ידי תחמוצות חנקן ואוזון טרופוספירי

התחממות כדור הארץ

התחממות כדור הארץ מופק על ידי ריכוזים גבוהים של CO₂ (גזי חממה), אשר סופגים הרבה של קרינה אינפרא אדום הנפלט על ידי כדור הארץ ואת החום מלכודת הטרופוספירה. זה יוצר שינוי האקלים על הפלנטה.

כימיה סביבתית של הידרוספרה

הידרוספרה מתאימה לכל גופי המים של כדור הארץ: שטחי או הומדאלים - אוקיינוסים, אגמים, נהרות, מעיינות - ומחתרת או אקוויפרים.

-מים מתוקים

מים הם חומר נוזלי הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ, מכסה 75% של פני כדור הארץ הוא חיוני לכל החיים.

כל צורות החיים תלויים במים מתוקים (המוגדרים כמים עם תכולת מלח פחות מ -0.01%). 97% מהמים של כדור הארץ הם מים מלוחים.

מתוך 3% הנותרים של מים מתוקים, 87% הוא ב:

• הקטבים של כדור הארץ (אשר נמס ומזג לתוך הים בשל התחממות כדור הארץ).
• הקרחונים (גם בתהליך של היעלמות).
• מי התהום.
• מים בצורה של אדי נוכח באווירה.

רק 0.4% מכלל המים הטריים של הפלנטה זמינים לצריכה. האידוי של מים מן האוקיינוסים ואת משקעים של גשמים ברציפות לספק אחוז קטן.

כימית מי סביבה בוחנת את התהליכים הכימיים המתרחשים מחזור המים או מחזור הידרולוגי וגם מפתחת טכנולוגיות לטיהור מים למאכל אדם, טיפול בשפכים תעשייתיים ועירוניים, התפלת מי הים, מחזור ושמירת משאב זה, בין היתר.

-מחזור המים

מחזור המים על פני כדור הארץ מורכב משלושה תהליכים עיקריים: אידוי, עיבוי ומשקעים, מהם נגזרים שלושה מעגלים:

1. פני השטח נגרמים
2. את האבולוציה של צמחים
3. ההסתננות, שבה המים עוברים לרמות תת קרקעיות (מי תהום), זורמת דרך תעלות אקוויפר ויוצאת דרך מעיינות, מעיינות או בארות.

-השפעות אנתרופולוגיות על מחזור המים

הפעילות האנושית משפיעה על מחזור המים; חלק מהסיבות וההשפעות של הפעולה האנתרופולוגית הן:

שינוי פני הקרקע

הוא נוצר על ידי חורבן של יערות ושדות עם כריתת יערות. זה משפיע על מחזור המים על ידי ביטול evapotranspiration (לוקח מים דרך הצמחים חוזרים לסביבה באמצעות נפיחות והתאיידות) והגברת נגר.

הגברת זרימת פני השטח גורמת לזרימת הנהרות ולשטפונות.

העיור גם משנה את פני הקרקע ומשפיע על מחזור המים, שכן הקרקע נקבובי מוחלף מלט ואספלט בלתי חדיר, מה שהופך חדירה בלתי אפשרי.

זיהום מחזור מים

מחזור המים כולל את הביוספרה כולה וכתוצאה מכך, הפסולת שנוצרת על ידי האדם, משולבת במחזור זה על ידי תהליכים שונים.

המזהמים הכימיים באוויר משולבים בגשם. האגרוכימיה מוחלת על הקרקע, סובלת מחטיפה וחדירה לאקוויפרים, או בורחת לנהרות, לאגמים ולים.

גם בזבוז של שומנים ושמנים ואת leachate של למזבלות, נגררים על ידי חדירת מי תהום.

הפקת אספקת מים עם משיכת יתר במשאבי מים

שיטות אלו עם משיכת היתר, הידלדלות מי התהום ושמורות מי התהום, משפיעות על המערכות האקולוגיות ומייצרות שכיחות קרקע מקומית.

כימיה של קרקע סביבתית

קרקעות הן אחד הגורמים החשובים ביותר במאזן הביוספרה. הם מספקים מעגן, מים וחומרים מזינים למפעלים, שהם מפיקים ברשתות הטבעוניות הארציות.

הרצפה

הקרקע יכולה להיות מוגדרת כמערכת אקולוגית מורכבת ודינמית של שלושה שלבים: שלב מוצק של תמיכה מינרלית ואורגנית, שלב נוזלי מימי ושלב גז; מאופיין על ידי בעל חיים בטבע בפרט (חיידקים, פטריות, וירוסים, צמחים, חרקים, נמטודות, protozoans).

מאפייני הקרקע משתנים ללא הרף בשל התנאים הסביבתיים והפעילות הביולוגית המתפתחת בו..

השפעות אנתרופולוגיות על הקרקע

השפלת הקרקע היא תהליך המקטין את כושר הייצור של הקרקע, המסוגל לייצר שינוי עמוק ושלילי במערכת האקולוגית.

הגורמים המייצרים השפלה של הקרקע הם: אקלים, פיזיוגרפיה, ליתולוגיה, צמחייה ופעולה אנושית.

על ידי פעולה אנושית יכולה להתרחש:

• השפלה פיזית של הקרקע (לדוגמה, דחיסה בשל עיבוד לקוי ושיטות בעלי חיים).
• השפלה כימית של קרקע (החמצה, אלקליניזציה, מליחות, זיהום באקרוכימיה, שפכים מפעילות תעשייתית ועירונית, נשפך נפט, בין היתר).
• השפלת קרקע ביולוגית (תוכן ירד של חומר אורגני, שפלה של הצומח, אובדן של מיקרואורגניזמים תיקון-חנקן, וכו ').

יחסי כימיה-סביבה

הכימיה הסביבתית בוחנת את התהליכים הכימיים השונים המתרחשים בשלושת המרכיבים הסביבתיים: אווירה, הידרוספרה וקרקע. מעניין לבחון התמקדות נוספת במודל כימי פשוט, המנסה להסביר את ההעברות הגלובליות של החומר המתרחשות בסביבה.

-מודל Garrels ו לרמן

Garrels ו לרמן (1981), פיתח מודל מפושט של משטח biogeochemical של כדור הארץ, אשר בוחן את יחסי הגומלין בין התאים לאווירה, הידרוספירה, קרום והביוספרה כולל.

המודל של גארלס ורמן בוחן שבעה מינרלים מכוננים עיקריים של הפלנטה:

1. גבס (CaSO)₄)
2. Pyrite (FeS)₂)
3. סידן קרבונט (CaCO₃)
4. מגנזיום פחמתי (MgCO)₃)
5. מגנזיום סיליקט (מגסיום)₃)
6. תחמוצת Ferric (Fe₂הו₃)
7. דו תחמוצת הסיליקון (SiO)₂)

החומר האורגני המהווה את הביוספרה (החיים והמתים), מיוצג כ- CH₂או, שהוא הרכב stoichiometric משוער של רקמות חיות.

במודל של גרלס ולרמן, השינויים הגיאולוגיים נלמדים כהעברות נטו של חומר בין שמונה מרכיבים של הפלנטה, באמצעות תגובות כימיות ומאזן שימור המונים נטו.

הצטברות של CO₂ באווירה

לדוגמה, הבעיה של הצטברות של CO₂ באטמוספרה נלמדת במודל זה, באומרו כי: כיום אנו שורפים את הפחמן האורגני המאוחסן בביוספרה כמו פחם, נפט וגז טבעי שהופקדו בתת-הקרקע בזמנים גיאולוגיים קודמים.

כתוצאה משריפה אינטנסיבית זו של דלקים מאובנים, הריכוז של CO₂ האטמוספירה גוברת.

הגידול בריכוז CO₂ באטמוספרה הקרקעית, משום ששיעור הבעירה הפחמני עולה על שיעור ספיגת הפחמן על ידי מרכיבים אחרים של המערכת הביוגיאוכימית של כדור הארץ (כגון אורגניזמים פוטוסינתטיים והידרוספרה, למשל).

בדרך זו, פליטת CO₂ לאווירה עקב פעילות אנושית, עולה על מערכת הרגולציה שמודבאת את השינויים בכדור הארץ.

גודלה של הביוספרה

המודל שפותח על ידי Garrels ו לרמן, גם רואה את גודל הביוספרה מגדילה ויורדת כתוצאה של האיזון בין הפוטוסינתזה הנשימה.

במהלך ההיסטוריה של החיים על כדור הארץ, המסה של הביוספרה עלתה בשלבים עם שיעור גבוה של פוטוסינתזה. זה הביא אחסון נטו של פחמן אורגני פליטת חמצן:

CO₂    +   ח₂O → CH₂O + O₂

נשימה כמו פעילות מטבולית של מיקרואורגניזמים ובעלי חיים גבוהים יותר, ממירה פחמן אורגני בחזרה פחמן דו חמצני (CO₂) ומים (H₂O), כלומר, הופכת את התגובה הכימית הקודמת.

נוכחות של מים, האחסון של פחמן אורגני ואת הייצור של חמצן מולקולרי הם יסודיים לקיומם של החיים.

יישומים של כימיה סביבתית

הכימיה הסביבתית מציעה פתרונות למניעה, להקטנה ולתיקון הנזק הסביבתי הנגרם על ידי פעילות אנושית. בין הפתרונות הללו ניתן להזכיר:

• העיצוב של חומרים חדשים בשם MOF (עבור ראשי התיבות שלה באנגלית: מתכת מסגרות אורגניות). אלה הם מאוד נקבובי ויש להם את היכולת: לספוג ולשמור CO₂, להשיג H₂או אדי אוויר מאזורי מדבר וחנות₂ במיכלים קטנים.
• המרת פסולת לחומרי גלם. לדוגמה, השימוש בצמיגים שחוקים בייצור של דשא מלאכותי או סוליות הנעל. כמו כן את השימוש של גזם חיתוך פסולת, בדור של ביוגז או ביואתנול.
• הסינתזה הכימית של תחליפי CFC.
• פיתוח אנרגיות חלופיות, כגון תאי מימן, לייצור חשמל נקי.
• בקרת זיהום אטמוספרי, עם מסננים אינרטי מסננים תגובתי.
• התפלת מי הים באמצעות אוסמוזה הפוכה.
• פיתוח של חומרים חדשים עבור flocculation של חומרים קולואידים התלויים במים (תהליך טיהור).
• החזרת האטרופיקציה של אגמים.
• פיתוח של "כימיה ירוקה", מגמה המציעה תחליף של חומרים כימיים רעילים עם פחות רעילים, ו "ידידותי לסביבה" נהלים כימיים. לדוגמה, הוא מיושם בשימוש ממיסים פחות רעילים וחומרי גלם, בתעשייה, ב ניקוי יבש של מכבסות, בין היתר..

הפניות

1. קאלברט, ג 'ייז', לזרוס, א, קוק, ג '. ל, Heikes, B.G., Walega, J.G, לינד, ג', ו Cantrell, C.A (1985). מנגנונים כימיים של ייצור חומצה בטרופוספירה. טבע, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. קרוצן, פ. (1970). ההשפעה של תחמוצות חנקן על התוכן האטמוספרי. Q.J.R. מטאורול. ויילי - בלקוול. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. ולרמן, א '(1981). מחזורי Phanerozoic של פחמן משקעים גופרית. ההליכים של האקדמיה למדעי הטבע. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. and Harrison, R. M. (2002). שינוי סביבתי גלובלי. החברה המלכותית לכימיה. עמ '205.
5. Hites, R. A. (2007). אלמנטים של כימיה סביבתית. Wiley-Interscience. עמ '215.
6. Manahan, S. (2000). כימיה סביבתית. מהדורה שביעית. CRC עמ '876
7. מולינה, M.J. ו Rowland, F. (1974). כיור סטרטוספירי עבור כלורופלואורומאת'נס: כלור אטום-קטליזציה הרס של אוזון. הטבע 249: 810-812.
8. Morel, F.M. ואת הרינג, ג'יי.אם (2000). עקרונות ויישומים של כימיה אקוטית. ניו יורק: ג'ון ויילי.
9. Stockwell, W. R., Lawson, CV, Saunders, E., and Golif, W. S. (2011). סקירה של הכימיה האטמוספירה הטרופוספריים ומנגנונים כימיים של גז-גזים לדגמי איכות אוויר. אטמוספרה, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001