Il chimica ambientale studia i processi chimici che avvengono a livello ambientale. È una scienza che applica principi chimici allo studio delle prestazioni ambientali e degli impatti generati dalle attività umane..
Inoltre, la chimica ambientale progetta tecniche di prevenzione, mitigazione e riparazione dei danni ambientali esistenti..
La chimica ambientale può essere suddivisa in tre discipline fondamentali che sono:
Un approccio integrale alla chimica ambientale richiede inoltre lo studio delle interrelazioni tra i processi chimici che avvengono in questi tre comparti (atmosfera, idrosfera, suolo) e le loro relazioni con la biosfera..
Indice articolo
L'atmosfera è lo strato di gas che circonda la Terra; costituisce un sistema molto complesso, dove temperatura, pressione e composizione chimica variano con l'altitudine in intervalli molto ampi.
Il sole bombarda l'atmosfera con radiazioni e particelle ad alta energia; questo fatto ha effetti chimici molto significativi in tutti gli strati dell'atmosfera, ma in particolare, negli strati superiori ed esterni.
Le reazioni di fotodissociazione e fotoionizzazione si verificano nelle regioni esterne dell'atmosfera. Nella regione tra i 30 ei 90 km di altezza misurata dalla superficie terrestre, nella stratosfera, è presente uno strato che contiene principalmente ozono (O3), chiamato strato di ozono.
L'ozono assorbe la radiazione ultravioletta ad alta energia che proviene dal sole e se non fosse per l'esistenza di questo strato, nessuna forma di vita conosciuta sul pianeta potrebbe sopravvivere..
Nel 1995, i chimici atmosferici Mario J. Molina (messicano), Frank S. Rowland (americano) e Paul Crutzen (olandese), hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica per le loro ricerche sulla distruzione e l'esaurimento dell'ozono nella stratosfera..
Nel 1970 Crutzen ha dimostrato che gli ossidi di azoto distruggono l'ozono attraverso reazioni chimiche catalitiche. Successivamente Molina e Rowland nel 1974, hanno dimostrato che il cloro nei composti clorofluorocarburici (CFC) è anche in grado di distruggere lo strato di ozono.
Lo strato atmosferico immediato sulla superficie terrestre, tra 0 e 12 km di altezza, chiamato troposfera, è composto principalmente da azoto (NDue) e ossigeno (ODue).
Come risultato delle attività umane, la troposfera contiene molte sostanze chimiche aggiuntive considerate inquinanti atmosferici come:
Tra molte altre sostanze, che influiscono sulla salute umana e vegetale e animale.
Ossidi di zolfo (SODue E così3) e quelli dell'azoto come il protossido di azoto (NODue), causano un altro problema ambientale chiamato pioggia acida.
Questi ossidi, presenti nella troposfera principalmente come prodotti della combustione di combustibili fossili nelle attività industriali e di trasporto, reagiscono con l'acqua piovana producendo acido solforico e acido nitrico, con la conseguente precipitazione acida..
Precipitando questa pioggia che contiene acidi forti, innesca diversi problemi ambientali come l'acidificazione dei mari e delle acque dolci. Ciò provoca la morte degli organismi acquatici; l'acidificazione dei suoli che provoca la morte delle colture e la distruzione per azione chimica corrosiva di edifici, ponti e monumenti.
Altri problemi ambientali atmosferici sono lo smog fotochimico, causato principalmente dagli ossidi di azoto e dall'ozono troposferico.
Il riscaldamento globale è prodotto da alte concentrazioni di CODue atmosferici e altri gas serra (GHG), che assorbono gran parte della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre e intrappolano il calore nella troposfera. Questo genera il cambiamento climatico sul pianeta.
L'idrosfera è composta da tutti i corpi idrici sulla Terra: superficie o zone umide - oceani, laghi, fiumi, sorgenti - e sotterranei o acquiferi..
L'acqua è la sostanza liquida più comune del pianeta, copre il 75% della superficie terrestre ed è assolutamente essenziale per la vita..
Tutte le forme di vita dipendono dall'acqua dolce (definita come acqua con un contenuto di sale inferiore allo 0,01%). Il 97% dell'acqua del pianeta è acqua salata.
Del restante 3% di acqua dolce, l'87% è in:
Solo lo 0,4% dell'acqua dolce totale del pianeta è disponibile per il consumo. L'evaporazione dell'acqua dagli oceani e le precipitazioni forniscono continuamente questa piccola percentuale..
La chimica ambientale dell'acqua studia i processi chimici che avvengono nel ciclo dell'acqua o ciclo idrologico e sviluppa anche tecnologie per la purificazione dell'acqua per il consumo umano, il trattamento delle acque reflue industriali e urbane, la desalinizzazione dell'acqua di mare, il riciclaggio e il risparmio di questa risorsa, tra gli altri.
Il ciclo dell'acqua sulla Terra è costituito da tre processi principali: evaporazione, condensazione e precipitazione, da cui derivano tre circuiti:
L'attività umana ha impatti sul ciclo dell'acqua; alcune delle cause e degli effetti dell'azione antropologica sono i seguenti:
È generato dalla distruzione di foreste e campi con la deforestazione. Ciò influisce sul ciclo dell'acqua eliminando l'evapotraspirazione (assunzione di acqua da parte delle piante e ritorno nell'ambiente per traspirazione ed evaporazione) e aumentando il deflusso..
L'aumento del deflusso superficiale produce un aumento del flusso di fiumi e inondazioni.
L'urbanizzazione modifica anche la superficie del terreno e influisce sul ciclo dell'acqua, poiché il terreno poroso viene sostituito da cemento impermeabile e asfalto, il che rende impossibile l'infiltrazione..
Il ciclo dell'acqua coinvolge l'intera biosfera e, di conseguenza, i rifiuti prodotti dall'uomo vengono incorporati in questo ciclo da diversi processi..
Gli inquinanti chimici presenti nell'aria vengono incorporati nella pioggia. Agrochimici applicati al suolo, subiscono percolato e infiltrazioni nelle falde acquifere o scorrono in fiumi, laghi e mari.
Anche gli scarti di grassi e oli e i percolati delle discariche sanitarie, vengono trascinati per infiltrazione nelle falde acquifere.
Queste pratiche di scoperto producono l'esaurimento delle riserve idriche sotterranee e superficiali, influenzano gli ecosistemi e producono cedimenti locali del suolo.
Il suolo è uno dei fattori più importanti per l'equilibrio della biosfera. Forniscono ancoraggio, acqua e sostanze nutritive alle piante, che sono produttori nelle catene trofiche terrestri.
Il suolo può essere definito come un ecosistema complesso e dinamico di tre fasi: una fase solida con supporto minerale e organico, una fase liquida acquosa e una fase gassosa; caratterizzato dall'avere una fauna e una flora particolari (batteri, funghi, virus, piante, insetti, nematodi, protozoi).
Le proprietà del suolo sono costantemente modificate dalle condizioni ambientali e dall'attività biologica che in esso si svolge..
Il degrado del suolo è un processo che riduce la capacità produttiva del suolo, capace di produrre un cambiamento profondo e negativo nell'ecosistema..
I fattori che producono il degrado del suolo sono: clima, fisiografia, litologia, vegetazione e azione umana.
Con l'azione umana può verificarsi:
La chimica ambientale studia i diversi processi chimici che avvengono nei tre comparti ambientali: atmosfera, idrosfera e suolo. È interessante rivedere un approccio aggiuntivo su un semplice modello chimico, che tenta di spiegare i trasferimenti globali di materia che avvengono nell'ambiente..
Garrels e Lerman (1981), hanno sviluppato un modello semplificato della biogeochimica della superficie terrestre, che studia le interazioni tra l'atmosfera dei compartimenti, l'idrosfera, la crosta terrestre e la biosfera inclusa..
Il modello di Garrels e Lerman considera i sette principali minerali costituenti del pianeta:
La materia organica che costituisce la biosfera (sia viva che morta), è rappresentata come CHDueOppure, che è la composizione stechiometrica approssimativa dei tessuti viventi.
Nel modello di Garrels e Lerman, i cambiamenti geologici sono studiati come trasferimenti netti di materia tra questi otto componenti del pianeta, attraverso reazioni chimiche e un bilancio netto di conservazione della massa..
Ad esempio, il problema dell'accumulo di CODue nell'atmosfera è studiato in questo modello, dicendo che: stiamo attualmente bruciando il carbonio organico immagazzinato nella biosfera come carbone, petrolio e gas naturale depositato nel sottosuolo in tempi geologici passati.
Come conseguenza di questa combustione intensiva di combustibili fossili, la concentrazione di CODue l'atmosfera sta aumentando.
Aumento delle concentrazioni di CODue nell'atmosfera terrestre è dovuto al fatto che il tasso di combustione del carbonio fossile supera il tasso di assorbimento del carbonio da parte degli altri componenti del sistema biogeochimico terrestre (come gli organismi fotosintetici e l'idrosfera, per esempio).
In questo modo l'emissione di CODue all'atmosfera a causa delle attività umane, aggira il sistema di regolamentazione che modula i cambiamenti sulla Terra.
Il modello sviluppato da Garrels e Lerman ritiene inoltre che le dimensioni della biosfera aumentino e diminuiscano per effetto dell'equilibrio tra fotosintesi e respirazione..
Durante la storia della vita sulla Terra, la massa della biosfera è aumentata gradualmente con alti tassi di fotosintesi. Ciò ha comportato un accumulo netto di carbonio organico e l'emissione di ossigeno:
CODue + HDueO → CHDueO + ODue
La respirazione come attività metabolica di microrganismi e animali superiori, converte il carbonio organico in anidride carbonica (CODue) e acqua (H.DueO), cioè inverte la precedente reazione chimica.
La presenza di acqua, lo stoccaggio di carbonio organico e la produzione di ossigeno molecolare sono fondamentali per l'esistenza della vita..
La chimica ambientale offre soluzioni per la prevenzione, mitigazione e riparazione dei danni ambientali causati dall'attività umana. Tra alcune di queste soluzioni possiamo citare:
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