- Екологична химия на атмосферата
- -Stratosphere
- Озонов слой
- -Troposphere
- Токсични газове
- Киселинен дъжд
- Глобално затопляне
- Химия на околната среда на хидросферата
- -Пресна вода
- -Водният цикъл
- -Антропологично въздействие върху водния цикъл
- Модификация на земната повърхност
- Замърсяване на водния цикъл
- Добив на водоснабдяване с овърдрафт във водните ресурси
- Химия на почвата в околната среда
- Почва
- Антропологични въздействия върху почвата
- Връзка между химикалите и околната среда
- -Модел Гарелс и Лерман
- Натрупването на СО
- Размерът на биосферата
- Приложения за химия на околната среда
- Препратки
В химията на околната среда изучава химичните процеси, които се извършват на ниво на околната среда. Това е наука, която прилага химичните принципи за изследване на екологичните показатели и въздействията, причинени от човешките дейности.
В допълнение, химията на околната среда проектира техники за предотвратяване, смекчаване и отстраняване на съществуващите екологични щети.
Фигура 1. Диаграма на земната атмосфера, хидросфера, литосфера и биосфера. Източник: Божана Петрович, от Wikimedia Commons
Химията на околната среда може да бъде разделена на три основни дисциплини, които са:
- Екологична химия на атмосферата.
- Химия на околната среда на хидросферата.
- Химия на почвата в околната среда.
Цялостният подход към химията на околната среда изисква допълнително проучване на взаимовръзките между химичните процеси, протичащи в тези три отделения (атмосфера, хидросфера, почва) и техните връзки с биосферата.
Екологична химия на атмосферата
Атмосферата е слоят газове, който заобикаля Земята; тя представлява много сложна система, при която температурата, налягането и химичният състав варират с надморската височина в много широки граници.
Слънцето бомбардира атмосферата с радиация и високоенергийни частици; този факт има много значителни химични ефекти във всички слоеве на атмосферата, но по-специално в горния и външния слой.
-Stratosphere
Реакциите на фотодисоциация и фотоионизация се появяват във външните участъци на атмосферата. В района с височина между 30 и 90 км, измерен от земната повърхност, в стратосферата има слой, който съдържа главно озон (O 3), наречен озонов слой.
Озонов слой
Озонът абсорбира високоенергийната ултравиолетова радиация, която идва от слънцето и ако не беше съществуването на този слой, няма известни форми на живот на планетата.
През 1995 г. атмосферните химици Марио Дж. Молина (мексикански), Франк С. Роуланд (американец) и Пол Кратцен (холандски) спечелиха Нобеловата награда за химия за своите изследвания за унищожаването и изчерпването на озона в стратосферата.
Фигура 2. Схема на изчерпване на озоновия слой. От nasa.gov
През 1970 г. Кройцен показва, че азотните оксиди унищожават озона чрез каталитични химични реакции. Впоследствие Molina и Rowland през 1974 г. показаха, че хлорът в хлорофлуоровъглеродните съединения (CFC) също е способен да разруши озоновия слой.
-Troposphere
Непосредственият атмосферен слой до земната повърхност, висок между 0 и 12 км, наречен тропосфера, е съставен главно от азот (N 2) и кислород (O 2).
Токсични газове
В резултат на човешките дейности тропосферата съдържа много допълнителни химикали, считани за замърсители на въздуха като:
- Въглероден диоксид и моноксид (CO 2 и CO).
- Метан (СН 4).
- Азотен оксид (NO).
- Сярен диоксид (SO 2).
- Озон O 3 (счита се за замърсител в тропосферата)
- Летливи органични съединения (ЛОС), прахове или твърди частици.
Сред много други вещества, които влияят върху здравето на хората и растенията и животните.
Киселинен дъжд
Сярните оксиди (SO 2 и SO 3) и азотните оксиди, като азотен оксид (NO 2), причиняват друг екологичен проблем, наречен киселинен дъжд.
Тези оксиди, присъстващи в тропосферата главно като продукти от изгарянето на изкопаеми горива при промишлени дейности и транспорт, реагират с дъждовна вода, произвеждаща сярна киселина и азотна киселина, с последващото киселинно утаяване.
Фигура 3. Схема на киселинен дъжд. Източник: Alfredsito94, от Wikimedia Commons
Утаявайки този дъжд, който съдържа силни киселини, той предизвиква няколко екологични проблема, като подкиселяване на моретата и сладките води. Това причинява смъртта на водните организми; подкисляването на почвите, което причинява смъртта на посевите и унищожаването чрез корозивно химическо действие на сгради, мостове и паметници.
Други атмосферни проблеми в околната среда са фотохимичният смог, причинен главно от азотни оксиди и тропосферен озон.
Глобално затопляне
Глобалното затопляне се произвежда от високи концентрации на атмосферен CO 2 и други парникови газове (GHGs), които абсорбират голяма част от инфрачервеното лъчение, излъчвано от земната повърхност и улавя топлината в тропосферата. Това генерира климатични промени на планетата.
Химия на околната среда на хидросферата
Хидросферата е изградена от всички водни тела на Земята: повърхностни или влажни зони - океани, езера, реки, извори - и подземни или водоносни хоризонти.
-Пресна вода
Водата е най-често срещаното течно вещество на планетата, тя покрива 75% от земната повърхност и е абсолютно необходима за живота.
Всички форми на живот зависят от прясна вода (определена като вода със съдържание на сол под 0,01%). 97% от водата на планетата е солена вода.
От останалите 3% сладка вода 87% е в:
- Полюсите на Земята (които се топят и се изливат в моретата поради глобалното затопляне).
- Ледниците (също в процес на изчезване).
- Подземните води.
- Вода под формата на пари, присъстващи в атмосферата.
Само 0.4% от общата сладка вода на планетата е на разположение за консумация. Изпаряването на водата от океаните и валежите от дъждовете непрекъснато осигуряват този малък процент.
Екологичната химия на водата изучава химичните процеси, протичащи във водния цикъл или хидрологичния цикъл, а също така разработва технологии за пречистване на водата за консумация от човека, пречистване на промишлени и градски отпадъчни води, обезсоляване на морска вода, рециклиране и спестяване на този ресурс, наред с други.
-Водният цикъл
Водният цикъл на Земята се състои от три основни процеса: изпаряване, кондензация и утаяване, от които се получават три вериги:
- Повърхностен отток
- Изпаряване на растенията
- Инфилтрацията, при която водата преминава в подземни нива (phreatic), циркулира през водоносни канали и излиза през извори, фонтани или кладенци.
Фигура 4. Воден цикъл. Източник: Wasserkreislauf.png: от: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons
-Антропологично въздействие върху водния цикъл
Човешката дейност оказва влияние върху водния цикъл; някои от причините и последиците от антропологичното действие са следните:
Модификация на земната повърхност
Той се генерира чрез унищожаване на гори и полета с обезлесяване. Това се отразява на водния цикъл чрез елиминиране на евапотранспирацията (прием на вода от растенията и връщане в околната среда чрез изпотяване и изпаряване) и чрез увеличаване на оттока.
Увеличаването на повърхностния отток води до увеличаване на притока на реки и наводнения.
Урбанизацията също променя повърхността на сушата и се отразява на водния цикъл, тъй като порестата почва се заменя с непромокаем цимент и асфалт, което прави невъзможна инфилтрацията.
Замърсяване на водния цикъл
Водният цикъл включва цялата биосфера и съответно отпадъците, генерирани от човека, се включват в този цикъл чрез различни процеси.
Химическите замърсители във въздуха са включени в дъжда. Агрохимикалите, приложени към почвата, страдат от излужване и инфилтрация към водоносни хоризонти или изтичат в реки, езера и морета.
Също така отпадъците от мазнини и масла и излужването на санитарните депа се пренасят чрез инфилтрация до подземните води.
Добив на водоснабдяване с овърдрафт във водните ресурси
Тези практики на овърдрафт водят до изчерпване на запасите от подземни води и повърхностни води, засягат екосистемите и предизвикват локално потапяне на почвата.
Химия на почвата в околната среда
Почвите са един от най-важните фактори в баланса на биосферата. Те осигуряват закрепване, вода и хранителни вещества на растенията, които са производители в земните трофични вериги.
Почва
Почвата може да бъде определена като сложна и динамична екосистема от три фази: твърда фаза с минерална и органична поддръжка, водна течна фаза и газообразна фаза; характеризиращ се с това, че има определена фауна и флора (бактерии, гъби, вируси, растения, насекоми, нематоди, най-обикновени).
Свойствата на почвата се променят постоянно от условията на околната среда и от биологичната активност, която се развива в нея.
Антропологични въздействия върху почвата
Деградацията на почвата е процес, който намалява производителния капацитет на почвата, способен да доведе до дълбока и отрицателна промяна в екосистемата.
Факторите, които причиняват деградация на почвата са: климат, физиография, литология, растителност и човешко действие.
Фигура 5. Деградирана почва. Източник: pexels.com
Чрез човешкото действие могат да възникнат:
- Физическо разграждане на почвата (например, уплътняване от неправилно земеделие и ранчовъдни практики).
- Химическо разграждане на почвата (подкиселяване, алкализация, засоляване, замърсяване с агрохимикали, с отпадни води от промишлена и градска дейност, петролни разливи и други).
- Биологично разграждане на почвата (намаляване на съдържанието на органични вещества, разграждане на растителната покривка, загуба на азотфиксиращи микроорганизми, наред с други).
Връзка между химикалите и околната среда
Химията на околната среда изучава различните химични процеси, протичащи в трите отделения на околната среда: атмосфера, хидросфера и почва. Интересно е да се направи преглед на допълнителен подход на опростен химичен модел, който се опитва да обясни глобалните трансфери на материя, които се случват в околната среда.
-Модел Гарелс и Лерман
Гаррелс и Лерман (1981) разработиха опростен модел на биогеохимията на земната повърхност, който изучава взаимодействията между отделенията на атмосферата, хидросферата, земната кора и включената биосфера.
Моделът Гарелс и Лерман разглежда седем основни съставни минерала на планетата:
- Гипс (CaSO 4)
- Пирит (FeS 2)
- Калциев карбонат (CaCO 3)
- Магнезиев карбонат (MgCO 3)
- Магнезиев силикат (MgSiO 3)
- Железен оксид (Fe 2 O 3)
- Силициев диоксид (SiO 2)
Съставките органична материя на биосферата (живеене, така и мъртъв), е представена като СН 2 О, която е приблизително стехиометрично състава на живи тъкани.
В модела на Гаррелс и Лерман геоложките промени се изучават като нетни прехвърляния на материя между тези осем компонента на планетата, чрез химични реакции и нетен баланс на запазване на масата.
Натрупването на СО
Например проблемът с натрупването на CO 2 в атмосферата се изучава в този модел, като се казва, че: понастоящем ние изгаряме органичния въглерод, съхраняван в биосферата, като въглища, нефт и природен газ, депозирани в недрата в минали геоложки времена, В резултат на това интензивно изгаряне на изкопаеми горива концентрацията на атмосферния CO 2 се увеличава.
Увеличаването на концентрациите на CO 2 в земната атмосфера се дължи на факта, че скоростта на изгаряне на изкопаемия въглерод надвишава скоростта на усвояване на въглерод от другите компоненти на биогеохимичната система на Земята (като фотосинтетични организми и хидросфера, например).
По този начин емисиите на CO 2 в атмосферата поради човешки дейности надминават регулаторната система, която модулира промените на Земята.
Размерът на биосферата
Моделът, разработен от Гаррелс и Лерман, също счита, че размерът на биосферата се увеличава и намалява в резултат на баланса между фотосинтезата и дишането.
По време на историята на живота на Земята масата на биосферата се увеличава на етапи с високи темпове на фотосинтеза. Това доведе до нетно съхранение на органичен въглерод и отделяне на кислород:
CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2
Дишането като метаболитна активност на микроорганизмите и по-високите животни превръща органичния въглерод обратно във въглероден диоксид (CO 2) и вода (H 2 O), тоест той обръща предишната химическа реакция.
Наличието на вода, съхранението на органичен въглерод и производството на молекулен кислород са основни за съществуването на живота.
Приложения за химия на околната среда
Химията на околната среда предлага решения за предотвратяване, смекчаване и отстраняване на екологичните щети, причинени от човешка дейност. Сред някои от тези решения можем да споменем:
- Дизайнът на нови материали, наречени MOF's (за съкращението му на английски: Metal Organic Frameworks). Те са много порьозна и имат способността да: абсорбират и задържат CO 2, получаване H 2 O от въздушния пара в пустинни области и магазин H 2 в малки контейнери.
- Преобразуването на отпадъците в суровини. Например използването на износени гуми при производството на изкуствена подметка за трева или обувки. Също така използването на отпадъци от резитба на реколтата, за генериране на биогаз или биоетанол.
- Химични синтези на заместители на CFC.
- Развитието на алтернативни енергии, като водородни клетки, за генериране на незамърсяваща електроенергия.
- Контролът на атмосферното замърсяване с инертни филтри и реактивни филтри.
- Обезсоляване на морската вода чрез обратна осмоза.
- Разработването на нови материали за флокулация на колоидни вещества, суспендирани във вода (процес на пречистване).
- Обратната еутрофикация на езерото.
- Развитието на „зелената химия“, тенденция, която предлага замяната на токсичните химични съединения с по-малко токсични, и „екологично чисти“ химически процедури. Например, той се прилага при използването на по-малко токсични разтворители и суровини, в промишлеността, в химическото чистене на перални помещения, наред с други.
Препратки
- Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. и Cantrell, CA (1985). Химически механизми на образуване на киселина в тропосферата. Природа, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
- Crutzen, PJ (1970). Влиянието на азотните оксиди върху атмосферното съдържание. QJR Metheorol. Соц. Уайли-Блакуел. 96: 320-325.
- Garrels, RM и Lerman, A. (1981). Фанерозойни цикли на утаечен въглерод и сяра. Трудове на Природната академия на науките. САЩ 78: 4,652-4,656.
- Hester, RE и Harrison, RM (2002). Глобални промени в околната среда. Кралско химическо дружество. стр. 205.
- Hites, RA (2007). Елементи на химията на околната среда. Wiley-Interscience. стр. 215.
- Manahan, SE (2000). Химия на околната среда. Седмо издание. КРС. стр. 876
- Molina, MJ и Rowland, FS (1974). Стратосферна мивка за хлорфлуорометани: Разрушаване на озон, катализирано с хлорен атом. Nature. 249: 810-812.
- Morel, FM и Hering, JM (2000). Принципи и приложения на водната химия. Ню Йорк: Джон Уайли.
- Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. и Goliff, WS (2011). Преглед на тропосферната атмосфера на химията и газофазните химични механизми за моделиране на качеството на въздуха. Атмосфера, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001