OKOLJSKA KEMIJA: PODROČJE PREUČEVANJA IN UPORABE - OKOLJE - 2025

Okoljska kemija proučuje kemične procese, ki potekajo na ravni okolja. To je znanost, ki uporablja kemijska načela za preučevanje okoljskih lastnosti in vplivov, ki jih povzročajo človekove dejavnosti.

Poleg tega okoljska kemija oblikuje tehnike preprečevanja, blaženja in sanacije obstoječe okoljske škode.

Slika 1. Diagram kopenske atmosfere, hidrosfere, litosfere in biosfere. Vir: Bojana Petrović, iz Wikimedia Commons

Okoljsko kemijo lahko razdelimo na tri osnovne discipline, ki so:

1. Okoljska kemija ozračja.
2. Okoljska kemija hidrosfere.
3. Kemija okolja.

Celovit pristop k kemiji okolja dodatno zahteva preučevanje medsebojnih odnosov med kemičnimi procesi, ki se dogajajo v teh treh oddelkih (atmosfera, hidrosfera, tla) in njihovih odnosov z biosfero.

Okoljska kemija ozračja

Vzdušje je plast plinov, ki obdaja Zemljo; je zelo kompleksen sistem, kjer se temperatura, tlak in kemična sestava razlikujejo glede na nadmorsko višino v zelo širokem območju.

Sonce bombardira ozračje s sevanjskimi in visokoenergetskimi delci; to dejstvo ima zelo pomembne kemične učinke v vseh plasteh atmosfere, predvsem pa v zgornji in zunanji plasti.

-Tratosfera

Reakcije fotoodisociacije in fotoionizacije se pojavljajo v zunanjih območjih atmosfere. V območju med 30 in 90 km višine, merjeno od zemeljskega površja, v stratosferi obstaja plast, ki v glavnem vsebuje ozon (O ₃ ), imenovan ozonski sloj.

Ozonski plašč

Ozon absorbira visokoenergijsko ultravijolično sevanje, ki prihaja iz sonca, in če ne bi obstajal ta sloj, nobena znana oblika življenja na planetu ne bi preživela.

Leta 1995 so atmosferski kemiki Mario J. Molina (mehiški), Frank S. Rowland (Američan) in Paul Crutzen (nizozemski) prejeli Nobelovo nagrado za kemijo za svoje raziskave o uničevanju in izčrpavanju ozona v stratosferi.

Slika 2. Shema izčrpavanja ozonske plasti. Iz nasa.gov

Leta 1970 je Crutzen pokazal, da dušikovi oksidi uničujejo ozon s katalitičnimi kemijskimi reakcijami. Pozneje sta Molina in Rowland leta 1974 pokazala, da klor v klorofluoroogljikovih spojinah (CFC) lahko tudi uniči ozonsko plast.

-Trosposfera

Atmosferska plast v bližini zemeljske površine, visoka med 0 in 12 km, imenovana troposfera, je v glavnem sestavljena iz dušika (N ₂ ) in kisika (O ₂ ).

Strupeni plini

Zaradi človekovih dejavnosti troposfera vsebuje veliko dodatnih kemikalij, ki veljajo za onesnaževala zraka, kot so:

• Ogljikov dioksid in monoksid (CO ₂ in CO).
• Metan (CH ₄ ).
• Dušikov oksid (NO).
• Žveplov dioksid (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (velja za onesnaževalo v troposferi)
• Hlapne organske spojine (HOS), praški ali trdni delci.

Med številnimi drugimi snovmi, ki vplivajo na zdravje ljudi, rastlin in živali.

Kisel dež

Žveplovi oksidi (SO ₂ in SO ₃ ) in dušikovi oksidi, kot je dušikov oksid (NO ₂ ), povzročajo še en okoljski problem, imenovan kisli dež.

Ti oksidi, ki so v troposferi prisotni predvsem kot produkti zgorevanja fosilnih goriv pri industrijskih dejavnostih in prevozu, reagirajo z deževnico, ki proizvaja žveplovo in dušikovo kislino, s posledičnimi kislinskimi obori.

Slika 3. Shema kislega dežja. Vir: Alfredsito94, iz Wikimedia Commons

S padavinom tega dežja, ki vsebuje močne kisline, sproži več okoljskih težav, kot so zakisanje morij in sladkih voda. To povzroči smrt vodnih organizmov; zakisanje tal, ki povzroči odmrtje pridelkov in uničevanje s korozivnim kemičnim delovanjem zgradb, mostov in spomenikov.

Druge okoljske težave so fotokemični smog, ki ga povzročajo predvsem dušikovi oksidi in troposferski ozon.

Globalno segrevanje

Globalno segrevanje nastaja zaradi visokih koncentracij atmosferskega CO ₂ in drugih toplogrednih plinov (GHG), ki absorbirajo večino infrardečega sevanja, ki ga oddaja zemeljska površina, in lovijo toploto v troposferi. To ustvarja podnebne spremembe na planetu.

Okoljska kemija hidrosfere

Hidrosfero sestavljajo vsa vodna telesa na Zemlji: površinska ali mokrišča - oceani, jezera, reke, izviri - ter podzemlje ali vodonosniki.

-Sveža voda

Voda je najpogostejša tekoča snov na planetu, pokriva 75% zemeljske površine in je nujno potrebna za življenje.

Vse oblike življenja so odvisne od sladke vode (opredeljene kot voda z vsebnostjo soli manj kot 0,01%). 97% vode na planetu je slana voda.

Od preostalih 3% sladke vode jih je 87% v:

• Zemlji polov (ki se zaradi globalnega segrevanja topijo in izlivajo v morja).
• Ledeniki (tudi v procesu izginotja).
• Podzemna voda.
• Voda v obliki hlapov, prisotnih v atmosferi.

Za porabo je na voljo le 0,4% celotne sveže vode planeta. Izhlapevanje vode iz oceanov in padavine nenehno zagotavljajo ta majhen odstotek.

Okoljska kemija vode proučuje kemijske procese, ki se dogajajo v vodnem ciklu ali hidrološkem ciklu, razvija pa tudi tehnologije za čiščenje vode za prehrano ljudi, čiščenje industrijskih in mestnih odpadnih voda, razsoljevanje morske vode, recikliranje in med drugim prihranite ta vir.

Vodni cikel

Vodni krog na Zemlji je sestavljen iz treh glavnih procesov: izhlapevanje, kondenzacija in padavine, iz katerih izhajajo trije krogi:

1. Površinski odtok
2. Evapotranspiracija rastlin
3. Infiltracija, pri kateri voda prehaja v podzemne nivoje (phreatic), kroži po vodonosnih kanalih in odhaja skozi izvire, vodnjake ali vodnjake.

Slika 4. Vodni cikel. Vir: Wasserkreislauf.png: od: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

- Antropološki vplivi na vodni cikel

Človekova dejavnost vpliva na vodni krog; nekateri vzroki in posledice antropološkega delovanja so naslednji:

Sprememba površine zemljišča

Nastane z uničenjem gozdov in polj s krčenjem gozdov. To vpliva na vodni cikel z odpravo evapotranspiracije (vnos vode v rastline in vrnitev v okolje s potenjem in izhlapevanjem) in s povečanjem odtoka.

Povečanje površinskega odtoka povzroči povečanje pretoka rek in poplav.

Urbanizacija prav tako spreminja površino tal in vpliva na vodni cikel, saj porozno zemljo nadomeščajo neprepustni cement in asfalt, kar onemogoča infiltracijo.

Onesnaženje vodnega kroga

Vodni cikel vključuje celotno biosfero in posledično so v ta cikel vključeni različni procesi.

Kemična onesnaževala v zraku so vgrajena v dež. Agrokemične snovi, ki se uporabljajo na tleh, trpijo in se infiltracijo v vodonosnike ali iztekajo v reke, jezera in morja.

Tudi odpadki maščob in olj ter izcedne vode sanitarnih odlagališč se prenašajo z infiltracijo v podtalnico.

Pridobivanje vodnih zalog s prekoračitvijo vodnih virov

Te prakse prekoračitve povzročajo izčrpavanje zalog podzemne in površinske vode, vplivajo na ekosisteme in povzročajo lokalno prepadanje tal.

Kemija okolja

Tla so eden najpomembnejših dejavnikov v ravnovesju biosfere. Rastlinam, ki so proizvajalci v zemeljskih trofičnih verigah, zagotavljajo sidrišče, vodo in hranila.

Prst

Tla je mogoče opredeliti kot kompleksen in dinamičen ekosistem treh faz: trdna faza z mineralno in organsko podporo, vodna tekoča faza in plinasta faza; za katero je značilno, da imajo določeno favno in rastlinstvo (bakterije, glive, virusi, rastline, žuželke, ogorčice, protozoji).

Lastnosti tal se stalno spreminjajo zaradi okoljskih razmer in biološke aktivnosti, ki se v njem razvija.

Antropološki vplivi na tla

Degradacija prsti je proces, ki zmanjšuje proizvodno sposobnost tal, ki lahko povzroči globoke in negativne spremembe v ekosistemu.

Dejavniki, ki povzročajo degradacijo tal, so: podnebje, fiziografija, litologija, rastlinstvo in človeško delovanje.

Slika 5. Degradirana tla. Vir: pexels.com

S človeškim delovanjem lahko pride do:

• Fizična degradacija tal (na primer zbijanje zaradi nepravilnih načinov gojenja in razmnoževanja).
• Kemična degradacija tal (zakisanje, alkalizacija, soljenje, onesnaženje z agrokemičnimi snovmi, odtoki iz industrijske in mestne dejavnosti, med drugim razlitje nafte).
• Biološka degradacija tal (zmanjšanje vsebnosti organskih snovi, propadanje vegetacijskega pokrova, izguba dušikovih mikroorganizmov, med drugim).

Razmerje med kemiko in okoljem

Okoljska kemija proučuje različne kemijske procese, ki potekajo v treh okoljskih delih: ozračje, hidrosfera in tla. Zanimiv je pregled dodatnega pristopa na preprostem kemijskem modelu, ki poskuša razložiti globalne prenose snovi, ki se dogajajo v okolju.

-Model Garrels in Lerman

Garrels in Lerman (1981) sta razvila poenostavljen model biogeokemije zemeljskega površja, ki preučuje interakcije med oddelki atmosfere, hidrosfere, zemeljske skorje in vključeno biosfero.

Model Garrels in Lerman obravnava sedem glavnih sestavnih delov planeta:

1. Mavec (CaSO ₄ )
2. Pirit (FeS ₂ )
3. Kalcijev karbonat (CaCO ₃ )
4. Magnezijev karbonat (MgCO ₃ )
5. Magnezijev silikat (MgSiO ₃ )
6. Železov oksid (Fe ₂ O ₃ )
7. Silicijev dioksid (SiO ₂ )

Organska snov sestavina biosfere (tako živih in mrtvih), je predstavljena kot CH ₂ O, ki je približna stehiometrično sestavo živa tkiva.

V modelu Garrels in Lerman geološke spremembe preučujemo kot neto prenos snovi med temi osmimi sestavnimi deli planeta, s pomočjo kemičnih reakcij in z neto uravnoteženostjo ohranjanja mase.

Kopičenje CO

Na primer, problem kopičenja CO ₂ v atmosferi je preučevan v tem modelu in pravi, da: trenutno kurimo organski ogljik, shranjen v biosferi, kot premog, nafta in zemeljski plin, ki se v geoloških časih odlaga v podzemlje .

Zaradi intenzivnega gorenja fosilnih goriv se koncentracija atmosferskega CO ₂ povečuje.

Povečanje koncentracije CO ₂ v Zemljini atmosferi je posledica dejstva, da hitrost zgorevanja fosilnih ogljikov presega stopnjo absorpcije ogljika v drugih sestavnih delih zemeljskega biogeokemičnega sistema (kot so fotosintetski organizmi in npr. hidrosfera).

Na ta način emisija CO ₂ v atmosfero zaradi človekovih dejavnosti presega regulativni sistem, ki modulira spremembe na Zemlji.

Velikost biosfere

Model, ki sta ga razvila Garrels in Lerman, tudi meni, da se velikost biosfere poveča in zmanjšuje zaradi ravnotežja med fotosintezo in dihanjem.

V zgodovini življenja na Zemlji se je masa biosfere stopnjevala v stopnjah z visokimi stopnjami fotosinteze. To je povzročilo neto shranjevanje organskega ogljika in emisije kisika:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Dihanje kot metabolična aktivnost mikroorganizmov in višjih živali pretvori organski ogljik nazaj v ogljikov dioksid (CO ₂ ) in vodo (H ₂ O), torej obrne prejšnjo kemijsko reakcijo.

Prisotnost vode, skladiščenje organskega ogljika in proizvodnja molekularnega kisika so bistvenega pomena za obstoj življenja.

Uporaba kemije okolja

Okoljska kemija ponuja rešitve za preprečevanje, blaženje in sanacijo okoljske škode, ki jo povzroči človekova dejavnost. Med nekaterimi izmed teh rešitev lahko omenimo:

• Oblikovanje novih materialov, imenovanih MOF's (za kratico v angleščini: Metal Organic Frameworks). To so zelo porozna in ima sposobnost, da: absorbirajo in zadržijo CO ₂ , dobimo H ₂ O iz zraka pare v puščavskih območjih in shranjevanje H ₂ v majhnih posodah.
• Pretvorba odpadkov v surovine. Na primer uporaba obrabljenih pnevmatik pri izdelavi umetne trave ali podplatov za čevlje. Tudi uporaba odpadkov za obrezovanje pridelka, za pridobivanje bioplina ali bioetanola.
• Kemične sinteze nadomestkov CFC.
• Razvoj alternativnih energij, kot so vodikove celice, za proizvodnjo električne energije, ki ne onesnažuje okolja.
• Nadzor onesnaževanja ozračja z inertnimi filtri in reaktivnimi filtri.
• Razsoljevanje morske vode z reverzno osmozo.
• Razvoj novih materialov za flokulacijo koloidnih snovi, suspendiranih v vodi (postopek čiščenja).
• Povratna evtrofikacija jezera.
• Razvoj "zelene kemije", trenda, ki predlaga nadomestitev strupenih kemičnih spojin z manj strupenimi, in "okolju prijaznih" kemičnih postopkov. Na primer, uporablja se pri uporabi manj strupenih topil in surovin, v industriji, med kemičnim čiščenjem pralnic.

Reference

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., in Cantrell, CA (1985). Kemični mehanizmi tvorbe kislin v troposferi. Narava, 317 (6032), 27–35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Vpliv dušikovih oksidov na vsebnost ozračja. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM in Lerman, A. (1981). Fanerozojski cikli sedimentnega ogljika in žvepla. Zbornik Naravoslovne akademije znanosti. ZDA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE in Harrison, RM (2002). Globalne okoljske spremembe. Royal Society of Chemistry. str. 205.
5. Hites, RA (2007). Elementi kemije okolja. Wiley-Interscience. pp 215.
6. Manahan, SE (2000). Okoljska kemija. Sedma izdaja. CRC. pp 876
7. Molina, MJ in Rowland, FS (1974). Stratosferska korita za klorofluorometane: uničenje ozona, ki ga povzroči atom klora. Narava. 249: 810-812.
8. Morel, FM in Hering, JM (2000). Načela in uporaba vodne kemije. New York: John Wiley
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., in Goliff, WS (2011). Pregled troposferske kemije atmosfere in kemijskih mehanizmov v plinski fazi za modeliranje kakovosti zraka. Atmosfera, 3 (1), 1–32. doi: 10,3390 / atmos3010001