ХІМІЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА: ОБЛАСТЬ ВИВЧЕННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - СЕРЕДОВИЩЕ

Хімія навколишнього середовища вивчає хімічні процеси, що відбуваються в навколишньому середовищі рівня. Це наука, яка застосовує хімічні принципи для вивчення екологічних показників та впливу, спричинених людською діяльністю.

Крім того, хімія навколишнього середовища розробляє методи запобігання, пом'якшення та відновлення існуючих екологічних збитків.

Рисунок 1. Діаграма наземної атмосфери, гідросфери, літосфери та біосфери. Джерело: Бояна Петрович, з Wikimedia Commons

Хімію навколишнього середовища можна розділити на три основні дисципліни:

Екологічна хімія атмосфери.
Екологічна хімія гідросфери.
Хімія навколишнього середовища ґрунту.

Комплексний підхід до хімії навколишнього середовища додатково вимагає вивчення взаємозв’язків між хімічними процесами, що відбуваються в цих трьох відсіках (атмосфера, гідросфера, ґрунт) та їх зв’язків з біосферою.

Екологічна хімія атмосфери

Атмосфера - шар газів, який оточує Землю; він становить дуже складну систему, де температура, тиск і хімічний склад змінюються з висотою в дуже широких межах.

Сонце бомбардує атмосферу радіаційними та високоенергетичними частинками; цей факт має дуже значну хімічну дію у всіх шарах атмосфери, але зокрема, у верхньому та зовнішньому шарах.

-Тратосфера

Реакції фотодисоціації та фотоіонізації відбуваються у зовнішніх областях атмосфери. У регіоні висотою від 30 до 90 км, виміряної від земної поверхні, у стратосфері є шар, який переважно містить озон (O ₃ ), що називається озоновим шаром.

Озоновий шар

Озон поглинає високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання, яке надходить від сонця, і якби не існувало цього шару, жодна відома форма життя на планеті не могла б вижити.

У 1995 році хіміки-атмосфери Маріо Дж. Моліна (мексиканський), Френк С. Роуланд (американець) та Пол Крутцен (голландський) отримали Нобелівську премію з хімії за свої дослідження руйнування та виснаження озону в стратосфері.

Малюнок 2. Схема виснаження озонового шару. Від nasa.gov

У 1970 році Крутцен показав, що оксиди азоту руйнують озон завдяки каталітичним хімічним реакціям. Згодом Моліна та Роуленд у 1974 р. Показали, що хлор у сполуках хлорфторуглероду (CFC) також здатний руйнувати озоновий шар.

-Тропосфера

Атмосферний шар біля земної поверхні, висотою від 0 до 12 км, який називають тропосферою, складається в основному з азоту (N ₂ ) та кисню (O ₂ ).

Токсичні гази

В результаті людської діяльності тропосфера містить багато додаткових хімічних речовин, що вважаються забруднювачами повітря, такі як:

Вуглекислий газ і оксид (CO ₂ і CO).
Метан (СН ₄ ).
Оксид азоту (NO).
Двоокис сірки (SO ₂ ).
Озон O ₃ (вважається забруднювачем у тропосфері)
Летючі органічні сполуки (ЛОС), порошки або тверді частинки.

Серед багатьох інших речовин, які впливають на здоров'я людини, рослин та тварин.

Кислотний дощ

Оксиди сірки (SO ₂ і SO ₃ ) та оксиди азоту, такі як оксид азоту (NO ₂ ), викликають ще одну екологічну проблему, яку називають кислотним дощем.

Ці оксиди, присутні в тропосфері переважно як продукти згоряння викопного палива в промисловій діяльності та на транспортуванні, реагують з дощовою водою, що утворює сірчану та азотну кислоти, з подальшими кислотними опадами.

Малюнок 3. Схема кислотного дощу. Джерело: Alfredsito94, з Wikimedia Commons

Осаджуючи цей дощ, який містить сильні кислоти, він викликає кілька екологічних проблем, таких як підкислення морів та прісних вод. Це спричиняє загибель водних організмів; підкислення ґрунтів, що спричинює загибель сільськогосподарських культур та руйнування корозійною хімічною дією будівель, мостів та пам’яток.

Інші атмосферні екологічні проблеми - це фотохімічний смог, який викликається переважно оксидами азоту та тропосферним озоном.

Глобальне потепління

Глобальне потепління виробляється високими концентраціями атмосферного CO ₂ та інших парникових газів (ПГ), які поглинають велику частину інфрачервоного випромінювання, випромінюваного поверхнею Землі, і захоплюють тепло в тропосфері. Це породжує зміни клімату на планеті.

Екологічна хімія гідросфери

Гідросферу складають усі водойми на Землі: поверхневі або водно-болотні угіддя - океани, озера, річки, джерела - і підземні або водоносні горизонти.

-Прісна вода

Вода - найпоширеніша рідка речовина на планеті, вона охоплює 75% земної поверхні і абсолютно необхідна для життя.

Усі життєві форми залежать від прісної води (визначається як вода із вмістом солі менше 0,01%). 97% води на планеті - це солона вода.

З решти 3% прісної води 87% припадає на:

Полюси Землі (які тануть і виливаються в моря через глобальне потепління).
Льодовики (також у процесі зникнення).
Підземні води.
Вода у вигляді пари, присутньої в атмосфері.

Лише 0,4% загальної прісної води планети доступні для споживання. Випаровування води з Світового океану та опадів дощів постійно забезпечують цей невеликий відсоток.

Екологічна хімія води вивчає хімічні процеси, що відбуваються у водному циклі чи гідрологічному циклі, а також розробляє технології очищення води для споживання людиною, очищення промислових та міських стічних вод, знесолення морської води, переробку і збереження цього ресурсу, серед інших.

-Водовий цикл

Водний кругообіг на Землі складається з трьох основних процесів: випаровування, конденсація та опади, з яких виводяться три контури:

Поверхневий стік
Випаровування рослин
Інфільтрат, при якому вода переходить на підземні рівні (фреатичні), циркулює по водоносних каналах і виходить через джерела, фонтани або колодязі.

Рисунок 4. Водний цикл. Джерело: Wasserkreislauf.png: від: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, через Wikimedia Commons

-Антропологічні впливи на водний кругообіг

Діяльність людини впливає на кругообіг води; деякі причини та наслідки антропологічної дії такі:

Модифікація поверхні суші

Він породжується руйнуванням лісів і полів з вирубкою лісів. Це впливає на водний кругообіг за рахунок усунення випаропередачі (надходження води рослинами та повернення в навколишнє середовище шляхом потовиділення та випаровування) та збільшення збільшення стоку.

Збільшення поверхневого стоку призводить до збільшення течії річок та повеней.

Урбанізація також змінює поверхню землі і впливає на водний цикл, оскільки пористий грунт замінюється непроникним цементом і асфальтом, що робить інфільтрацію неможливою.

Забруднення водного циклу

Водний кругообіг включає всю біосферу і, отже, відходи, що утворюються людиною, включаються в цей цикл різними процесами.

Хімічні забруднювачі повітря включаються в дощ. Агрохімікати, застосовані до ґрунту, зазнають підтоплення та інфільтрації водоносних горизонтів або стікають у річки, озера та моря.

Також відходи жирів та олій та вилуговування санітарних сміттєзвалищ переносяться шляхом проникнення в ґрунтові води.

Видобуток запасів води із перевищенням водних ресурсів

Ці практики овердрафту призводять до виснаження запасів ґрунтових та поверхневих вод, впливають на екосистеми та виробляють місцеве просідання ґрунту.

Хімія навколишнього середовища ґрунту

Ґрунти - один з найважливіших факторів балансу біосфери. Вони забезпечують кріплення, воду та поживні речовини рослинам, які є виробниками наземних трофічних ланцюгів.

Грунт

Грунт можна визначити як складну та динамічну екосистему трьох фаз: тверду фазу з мінеральною та органічною підтримкою, водну рідку фазу та газоподібну фазу; характеризується наявністю певної фауни та флори (бактерії, грибки, віруси, рослини, комахи, нематоди, найпростіші).

Властивості ґрунту постійно змінюються умовами навколишнього середовища та біологічною активністю, яка розвивається в ньому.

Антропологічні впливи на ґрунт

Деградація ґрунту - це процес, що знижує продуктивні можливості ґрунту, здатні спричинити глибокі та негативні зміни в екосистемі.

Факторами, що спричиняють деградацію ґрунту, є: клімат, фізіографія, літологія, рослинність та дія людини.

Малюнок 5. Деградований грунт. Джерело: pexels.com

За дії людини можуть статися:

Фізична деградація ґрунту (наприклад, ущільнення від неправильного ведення сільського господарства та рангоутворення).
Хімічна деградація ґрунту (підкислення, підщеплення, засолення, забруднення агрохімікатами, стічними водами промислової та міської діяльності, розливом нафти тощо).
Біологічна деградація ґрунту (зниження вмісту органічних речовин, деградація рослинного покриву, втрата азотфіксуючих мікроорганізмів, серед інших).

Зв'язок хіміка - середовище

Екологічна хімія вивчає різні хімічні процеси, що відбуваються в трьох екологічних відділах: атмосфері, гідросфері та ґрунті. Цікаво переглянути додатковий підхід щодо простої хімічної моделі, яка намагається пояснити глобальні передачі речовини, що відбуваються в навколишньому середовищі.

-Модель Гаррелс і Лерман

Гаррельс і Лерман (1981) розробили спрощену модель біогеохімії земної поверхні, яка вивчає взаємодію між відділеннями атмосфери, гідросфери, земної кори та включеною біосферою.

Модель Гаррельса та Лермана розглядає сім основних складових корисних копалин планети:

Гіпс (CaSO ₄ )
Пірит (FeS ₂ )
Карбонат кальцію (CaCO ₃ )
Карбонат магнію (MgCO ₃ )
Силікат магнію (MgSiO ₃ )
Оксид заліза (Fe ₂ O ₃ )
Діоксид кремнію (SiO ₂ )

Складова органічна речовина біосфери (як живих, так і мертвих) представлена у вигляді CH ₂ O, що є приблизним стехіометричним складом живих тканин.

У моделі Гаррельса та Лермана геологічні зміни вивчаються як чисті передачі речовини між цими вісьмома компонентами планети через хімічні реакції та чистий баланс збереження маси.

Нагромадження СО

Наприклад, проблема накопичення CO ₂ в атмосфері вивчається в цій моделі, кажучи, що: в даний час ми спалюємо органічний вуглець, що зберігається в біосфері як вугілля, нафта та природний газ, що відкладаються в надрах за минулі геологічні часи. .

Внаслідок цього інтенсивного спалювання викопних палив концентрація атмосферного CO ₂ зростає.

Збільшення концентрації CO ₂ в атмосфері Землі пояснюється тим, що швидкість спалювання викопного вуглецю перевищує швидкість поглинання вуглецю іншими компонентами біогеохімічної системи Землі (наприклад, фотосинтетичними організмами та гідросфера, наприклад).

Таким чином, викид CO ₂ в атмосферу завдяки діяльності людини перевершує систему регулювання, яка модулює зміни на Землі.

Розмір біосфери

Модель, розроблена Гаррелсом та Лерманом, також вважає, що розмір біосфери збільшується та зменшується внаслідок балансу між фотосинтезом та диханням.

Протягом історії життя на Землі маса біосфери збільшувалася поетапно з високими темпами фотосинтезу. Це призвело до чистого зберігання органічного вуглецю та викиду кисню:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Дихання, як метаболічна активність мікроорганізмів і вищих тварин, перетворює органічний вуглець назад у вуглекислий газ (CO ₂ ) і воду (H ₂ O), тобто повертає попередню хімічну реакцію.

Наявність води, зберігання органічного вуглецю та отримання молекулярного кисню є основними для існування життя.

Застосування хімії навколишнього середовища

Екологічна хімія пропонує рішення щодо запобігання, пом’якшення та усунення екологічних збитків, спричинених людською діяльністю. Серед деяких з цих рішень можна відзначити:

Дизайн нових матеріалів під назвою MOF (для його абревіатури англійською мовою: Metal Organic Frameworks). Вони дуже пористі та мають здатність: поглинати та утримувати CO ₂ , отримувати H ₂ O з повітряних парів у пустельних районах та зберігати H ₂ у невеликих контейнерах.
Перетворення відходів у сировину. Наприклад, використання зношених шин у виробництві штучної трави або взуттєвої підошви. Також використання відходів для обрізки сільськогосподарських культур для отримання біогазу чи біоетанолу.
Хімічні синтези замінників CFC.
Розвиток альтернативних енергій, таких як водневі клітини, для виробництва електроенергії, що не забруднює.
Контроль забруднення атмосфери за допомогою інертних фільтрів та реактивних фільтрів.
Очищення морської води зворотним осмосом.
Розробка нових матеріалів для флокуляції колоїдних речовин, зважених у воді (процес очищення).
Повернення евтрофікації озера.
Розвиток "зеленої хімії", тенденція, яка пропонує замінити токсичні хімічні сполуки менш токсичними, та "екологічно чисті" хімічні процедури. Наприклад, він застосовується при використанні менш токсичних розчинників і сировини, в промисловості, в хімчистці пралень, серед інших.

Список літератури

Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., and Cantrell, CA (1985). Хімічні механізми утворення кислоти в тропосфері. Природа, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
Crutzen, PJ (1970). Вплив оксидів азоту на вміст атмосфери. QJR Metheorol. Соц. Вілі-Блеквелл. 96: 320-325.
Гаррельс, Р. М. та Лерман, А. (1981). Фанерозойні цикли осадового вуглецю та сірки. Праці Природної академії наук. США 78: 4,652-4,656.
Hester, RE і Harrison, RM (2002). Глобальні екологічні зміни. Королівське хімічне товариство. С. 205.
Hites, RA (2007). Елементи хімії навколишнього середовища. Wiley-Interscience. С. 215.
Манахан, SE (2000). Хімія навколишнього середовища. Сьоме видання. CRC. С. 876
Molina, MJ та Rowland, FS (1974). Стратосферна мийка для хлорфторметанів: руйнування озону, каталізується атомом хлору. Природа. 249: 810-812.
Морель, ФМ та Херінг, Дж. М. (2000). Принципи та застосування водної хімії. Нью-Йорк: Джон Вілі.
Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. and Goliff, WS (2011). Огляд хімії тропосферної атмосфери та газофазних хімічних механізмів для моделювання якості повітря. Атмосфера, 3 (1), 1–32. doi: 10,3390 / atmos3010001

ХІМІЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА: ОБЛАСТЬ ВИВЧЕННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025