Študijný odbor Environmentálna chémia a aplikácie

environmentálna chémia Skúma chemické procesy, ktoré prebiehajú na environmentálnej úrovni. Je to veda, ktorá aplikuje chemické princípy na štúdium environmentálneho správania a dopadov spôsobených ľudskou činnosťou.

Okrem toho, environmentálna chémia navrhuje techniky prevencie, zmierňovania a nápravy existujúcich environmentálnych škôd.

Environmentálna chémia môže byť rozdelená do troch základných disciplín, ktorými sú:

1. Environmentálna chémia atmosféry.
2. Environmentálna chémia hydrosféry.
3. Environmentálna chémia pôdy.

Komplexný prístup k environmentálnej chémii si vyžaduje aj štúdium vzájomných vzťahov medzi chemickými procesmi, ktoré sa vyskytujú v týchto troch oddeleniach (atmosféra, hydrosféra, pôda) a ich vzťahy s biosférou..

index

• 1 Environmentálna chémia atmosféry
  • 1.1 -Stratosféra
  • 1,2-Troposféra
• 2 Environmentálna chémia hydrosféry
  • 2.1 - Čerstvá voda
  • 2.2 - Cyklus vody
  • 2.3 - Antropologické vplyvy na vodný cyklus
• 3 Environmentálna chémia pôdy
  • 3.1 Pôda
  • 3.2 Antropologické vplyvy na pôdu
• 4 Vzťah medzi chemickým prostredím
  • 4.1 -Model Garrels a Lerman
• 5 Aplikácie environmentálnej chémie
• 6 Referencie

Environmentálna chémia atmosféry

Atmosféra je vrstva plynov, ktorá obklopuje Zem; je to veľmi zložitý systém, kde sa teplota, tlak a chemické zloženie mení s výškou vo veľmi širokom rozsahu.

Slnko bombarduje atmosféru žiarením a vysokoenergetickými časticami; táto skutočnosť má veľmi významné chemické účinky vo všetkých vrstvách atmosféry, ale najmä v najvyšších a vonkajších vrstvách.

-stratosféra

Fotodisociačné a fotoionizačné reakcie sa vyskytujú vo vonkajších oblastiach atmosféry. V oblasti od 30 do 90 km, meranej od zemského povrchu, v stratosfére sa nachádza vrstva obsahujúca prevažne ozón (OR₃), nazývaná ozónová vrstva.

Ozónová vrstva

Ozón absorbuje vysokoenergetické ultrafialové žiarenie, ktoré pochádza zo Slnka, a ak nie pre existenciu tejto vrstvy, žiadny známy spôsob života na planéte by nemohol existovať..

V roku 1995 získali atmosférickí chemici Mario J. Molina (Mexičan), Frank S. Rowland (Američan) a Paul Crutzen (Holanďan) Nobelovu cenu za chémiu za svoj výskum o zničení a vyčerpaní ozónu v stratosfére.

V roku 1970 Crutzen ukázal, že oxidy dusíka ničia ozón prostredníctvom katalytických chemických reakcií. Následne Molina a Rowland v roku 1974 ukázali, že chlór chlórofluórouhľovodíkových zlúčenín (CFC) je tiež schopný zničiť ozónovú vrstvu..

-troposféra

Atmosférická vrstva bezprostredne nad zemským povrchom, vysoká 0 až 12 km, nazývaná troposféra, sa skladá hlavne z dusíka (N₂) a kyslíka (O₂).

Toxické plyny

V dôsledku ľudskej činnosti troposféra obsahuje mnoho ďalších chemikálií, ktoré sa považujú za látky znečisťujúce ovzdušie, ako napríklad:

• Dioxid a oxid uhoľnatý (CO. \ T₂ a CO).
• Metán (CH₄).
• Oxid dusnatý (NO).
• Oxid siričitý (SO)₂).
• Ozón O₃ (považovaný za kontaminant v troposfére)
• Prchavé organické zlúčeniny (VOC), prášky alebo tuhé častice.

Medzi mnoho ďalších látok, ktoré ovplyvňujú zdravie ľudí a rastlín a zvierat.

Kyslý dážď

Oxidy síry (SO₂ a SO₃) a dusíkaté, ako je oxid dusný (NO₂), spôsobujú ďalší environmentálny problém, ktorý sa nazýva kyslé.

Tieto oxidy, prítomné v troposfére hlavne ako produkty spaľovania fosílnych palív v priemyselných činnostiach a doprave, reagujú s dažďovou vodou produkujúcou kyselinu sírovú a kyselinu dusičnú s následnými zrážaniami kyseliny..

Zrážaním tohto dažďa, ktorý obsahuje silné kyseliny, spúšťa niekoľko environmentálnych problémov, ako je okysľovanie morí a sladkých vôd. To spôsobuje smrť vodných organizmov; okysľovanie pôd, ktoré spôsobujú smrť plodín a ničenie chemickými koróznymi účinkami budov, mostov a pamiatok.

Ďalšími environmentálnymi environmentálnymi problémami sú fotochemický smog, spôsobený najmä oxidmi dusíka a troposférickým ozónom

Globálne otepľovanie

Globálne otepľovanie je spôsobené vysokými koncentráciami CO₂ atmosférické a iné skleníkové plyny (GHG), ktoré absorbujú väčšinu infračerveného žiarenia emitovaného povrchom Zeme a zachytávajú teplo v troposfére. To spôsobuje zmenu klímy na planéte.

Environmentálna chémia hydrosféry

Hydrósfera je prispôsobená všetkým vodným útvarom Zeme: povrchné alebo humedales - oceány, jazerá, rieky, pramene - a podzemné alebo vodonosné vrstvy.

-Sladká voda

Voda je najbežnejšou kvapalnou látkou na planéte, pokrýva 75% zemského povrchu a je absolútne nevyhnutná pre život.

Všetky formy života závisia od sladkej vody (definovanej ako voda s obsahom soli nižším ako 0,01%). 97% vody planéty je slaná voda.

Zo zvyšných 3% sladkej vody je 87% v:

• Polia Zeme (ktoré sa v dôsledku globálneho otepľovania tavia a lejú do mora).
• Ľadovce (aj v procese miznutia).
• Podzemná voda.
• Voda vo forme pár prítomných v atmosfére.

Na spotrebu je k dispozícii len 0,4% celkovej sladkej vody na planéte. Odparovanie vody z oceánov a zrážky dažďov nepretržite poskytujú toto malé percento.

Environmentálna chémia vody skúma chemické procesy, ktoré sa vyskytujú vo vodnom cykle alebo hydrologickom cykle, a tiež vyvíja technológie na čistenie vody na ľudskú spotrebu, úpravu priemyselných a mestských odpadových vôd, odsoľovanie morskej vody, recykláciu. a ukladanie tohto zdroja, okrem iného.

-Cyklus vody

Cyklus vody na Zemi sa skladá z troch hlavných procesov: odparovania, kondenzácie a zrážok, z ktorých sú odvodené tri okruhy:

1. Povrchový odtok
2. Evapotranspirácia rastlín
3. Infiltrácia, v ktorej voda prechádza do podzemných úrovní (podzemná voda), cirkuluje cez vodonosné kanály a východy cez pramene, pramene alebo studne.

-Antropologické vplyvy na vodný cyklus

Ľudská činnosť má vplyv na kolobeh vody; Niektoré z príčin a dôsledkov antropologického pôsobenia sú nasledovné:

Úprava povrchu pozemku

Vzniká zničením lesov a polí s odlesňovaním. Toto ovplyvňuje kolobeh vody odstránením evapotranspirácie (odber vody cez rastliny a návrat do životného prostredia prostredníctvom transpirácie a odparovania) a zvyšovaním odtoku..

Zvýšený povrchový odtok spôsobuje zvýšený prietok rieky a záplavy.

Urbanizácia tiež modifikuje povrch pôdy a ovplyvňuje kolobeh vody, pretože pórovitá pôda je nahradená cementom a nepriepustným asfaltom, čo znemožňuje infiltráciu..

Kontaminácia vodného cyklu

Cyklus vody zahŕňa celú biosféru, a preto odpad vznikajúci ľudskou bytosťou je do tohto cyklu začlenený rôznymi procesmi.

Chemické znečisťujúce látky vo vzduchu sú začlenené do dažďa. Agrochemikálie aplikované na pôdu, trpia priesakom a infiltráciou do vodonosných vrstiev, alebo unikajú do riek, jazier a morí.

Aj odpad z tukov a olejov a priesaky na skládkach sa ťahajú infiltráciou do podzemných vôd.

Ťažba vodných zdrojov s prečerpaním vo vodných zdrojoch

Tieto praktiky s kontokorentným úverom spôsobujú vyčerpanie zásob podzemnej a povrchovej vody, ovplyvňujú ekosystémy a produkujú miestny pokles pôdy.

Environmentálna chémia pôdy

Pôdy sú jedným z najdôležitejších faktorov rovnováhy biosféry. Poskytujú kotvenie, vodu a živiny pre rastliny, ktoré sú výrobcami v pozemských trofických reťazcoch.

Na poschodí

Pôdu možno definovať ako komplexný a dynamický ekosystém troch fáz: tuhú fázu minerálneho a organického nosiča, vodnú kvapalnú fázu a plynnú fázu; charakterizované určitou faunou a flórou (baktérie, huby, vírusy, rastliny, hmyz, nematódy, prvoky) \ t.

Vlastnosti pôdy sa neustále menia v dôsledku environmentálnych podmienok a biologickej aktivity, ktorá sa v nej vyvíja..

Antropologické vplyvy na pôdu

Degradácia pôdy je proces, ktorý znižuje produktívnu kapacitu pôdy, ktorá je schopná vyvolať hlbokú a negatívnu zmenu v ekosystéme..

Faktory, ktoré spôsobujú degradáciu pôdy sú: klíma, fyziografia, litológia, vegetácia a ľudská činnosť.

Ľudskou činnosťou môže nastať:

• Fyzická degradácia pôdy (napríklad zhutnenie v dôsledku nedostatočnej kultivácie a chovu hospodárskych zvierat) \ t.
• Chemická degradácia pôdy (acidifikácia, alkalizácia, salinizácia, kontaminácia agrochemikáliami, odpady z priemyselnej a mestskej činnosti, úniky ropy, okrem iného).
• Biologická degradácia pôdy (pokles obsahu organických látok, degradácia vegetačného krytu, okrem iného strata mikroorganizmov viažucich dusík).

Vzťah medzi chemickým prostredím

Environmentálna chémia skúma rôzne chemické procesy, ktoré prebiehajú v troch zložkách životného prostredia: atmosféra, hydrosféra a pôda. Je zaujímavé preskúmať ďalšie zameranie na jednoduchý chemický model, ktorý sa pokúša vysvetliť globálne prenosy hmoty, ktoré sa vyskytujú v životnom prostredí.

-Model Garrels a Lerman

Garrels a Lerman (1981) vyvinuli zjednodušený model biogeochémie zemského povrchu, ktorý skúma interakcie atmosféry, hydrosféry, zemskej kôry a biosféry..

Model Garrels a Lerman zvažuje sedem hlavných minerálov planéty:

1. Sadra (CaSO₄)
2. Pyrit (FeS₂)
3. Uhličitan vápenatý (CaCO)₃)
4. Uhličitan horečnatý (MgCO)₃)
5. Kremičitan horečnatý (MgSiO₃)
6. Oxid železitý (Fe₂O₃)
7. Oxid kremičitý (SiO)₂)

Organická hmota, ktorá tvorí biosféru (živú aj mŕtvu), je reprezentovaná ako CH₂Alebo, čo je približné stechiometrické zloženie živých tkanív.

V modeli Garrels a Lerman sa študujú geologické zmeny ako čisté prenosy hmoty medzi týmito ôsmimi zložkami planéty, prostredníctvom chemických reakcií a čistej bilančnej bilancie..

Akumulácia CO₂ v atmosfére

Napríklad problém akumulácie CO₂ v atmosfére sa skúma v tomto modeli s tým, že: v súčasnosti spaľujeme organický uhlík uložený v biosfére ako uhlie, ropu a zemný plyn uložený v podloží v minulých geologických časoch.

Výsledkom tohto intenzívneho spaľovania fosílnych palív je koncentrácia CO₂ atmosféra sa zvyšuje.

Zvýšenie koncentrácií CO₂ v suchozemskej atmosfére je to preto, že rýchlosť spaľovania fosílneho uhlíka presahuje rýchlosť absorpcie uhlíka inými zložkami biogeochemického systému Zeme (napríklad fotosyntetické organizmy a hydrosféry).

Týmto spôsobom sa emisie CO₂ do atmosféry v dôsledku ľudskej činnosti prevyšuje regulačný systém, ktorý moduluje zmeny na Zemi.

Veľkosť biosféry

Model vyvinutý Garrelsom a Lermanom sa tiež domnieva, že veľkosť biosféry sa zvyšuje a znižuje v dôsledku rovnováhy medzi fotosyntézou a dýchaním..

Počas histórie života na Zemi sa hmotnosť biosféry zvyšovala v stupňoch s vysokou mierou fotosyntézy. Výsledkom bolo čisté uskladnenie emisií organického uhlíka a kyslíka:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Dýchanie ako metabolická aktivita mikroorganizmov a vyšších zvierat premieňa organický uhlík späť na oxid uhličitý (CO₂) a vody (H₂O), to znamená obráti predchádzajúcu chemickú reakciu.

Prítomnosť vody, skladovanie organického uhlíka a produkcia molekulárneho kyslíka sú základom pre existenciu života.

Aplikácie environmentálnej chémie

Environmentálna chémia ponúka riešenia pre prevenciu, zmiernenie a nápravu environmentálnych škôd spôsobených ľudskou činnosťou. Medzi niektoré z týchto riešení môžeme spomenúť:

• Návrh nových materiálov s názvom MOF's (akronym v angličtine: Kovové organické rámce). Sú veľmi porézne a majú schopnosť: absorbovať a zadržiavať CO₂, dostať H₂Alebo vzduchové pary z púštnych oblastí a sklad H₂ v malých nádobách.
• Premena odpadu na suroviny. Napríklad použitie opotrebovaných pneumatík pri výrobe umelej trávy alebo podrážok obuvi. Taktiež použitie odpadu z rezania plodín pri výrobe bioplynu alebo bioetanolu.
• Chemická syntéza CFC náhrad.
• Vývoj alternatívnych energií, ako sú vodíkové články, na výrobu čistej elektrickej energie.
• Kontrola znečisťovania ovzdušia, inertnými filtrami a reaktívnymi filtrami.
• Odsoľovanie morskej vody reverznou osmózou.
• Vývoj nových materiálov na flokuláciu koloidných látok suspendovaných vo vode (proces čistenia) \ t.
• Obrátenie eutrofizácie jazier.
• Vývoj "zelenej chémie", trend, ktorý navrhuje nahradenie toxických chemických zlúčenín menej toxickými a "ekologicky šetrné" chemické postupy. Uplatňuje sa napríklad pri používaní menej toxických rozpúšťadiel a surovín, v priemysle, okrem iného pri čistení bielizne..

referencie

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., a Cantrell, C.A. (1985). Chemické mechanizmy tvorby kyselín v troposfére. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10,1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Vplyv oxidov dusíka na atmosférický obsah. Q.J.R. Metheorol. Soc., Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. a Lerman, A. (1981). Phanerozoic cykly sedimentárneho uhlíka a síry. Zborník Prírodovedeckej akadémie vied. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R.E. a Harrison, R.M. (2002). Globálna zmena životného prostredia. Kráľovská spoločnosť chémie. pp.
5. Hites, R. A. (2007). Prvky chémie životného prostredia. Wiley Interscience. pp 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Chémia životného prostredia. Siedme vydanie. CRC. pp 876
7. Molina, M.J. a Rowland, F.S. (1974). Stratospheric umývadlo pre chlórfluórmetány: atóm chlóru katalyzovaný rozklad ozónu. Nature. 249: 810-812.
8. Morel, F.M. a Hering, J.M. (2000). Princípy a aplikácie vodnej chémie. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C.V., Saunders, E. a Goliff, W. S. (2011). Prehľad troposférickej chemickej atmosféry a chemických mechanizmov plynnej fázy pre modelovanie kvality ovzdušia. Atmosféra, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001