KÖRNYEZETI KÉMIA: TANULMÁNYI TERÜLET ÉS ALKALMAZÁSOK - KÖRNYEZET - 2026

A környezeti kémia a kémiai folyamatokat vizsgálja, amelyek a környezeti szinten zajlanak. Ez egy tudomány, amely kémiai alapelveket alkalmaz a környezeti teljesítmény és az emberi tevékenységek által kiváltott hatások tanulmányozására.

A környezeti kémia emellett megelőzési, enyhítési és helyreállítási technikákat tervez a meglévő környezeti károkra.

1. ábra: A szárazföldi légkör, a hidroszféra, a litoszféra és a bioszféra diagramja. Forrás: Bojana Petrović, a Wikimedia Commonsból

A környezeti kémia három alapvető tudományágra osztható:

1. A légkör környezeti kémiája.
2. A hidroszféra környezeti kémiája.
3. A talaj környezeti kémiája.

A környezeti kémia átfogó megközelítése emellett megköveteli a e három rekeszben zajló kémiai folyamatok (légkör, hidroszféra, talaj) és ezeknek a bioszférával való kapcsolatának tanulmányozását.

A légkör környezeti kémiája

A légkör a Földet körülvevő gázréteg; nagyon összetett rendszert alkot, ahol a hőmérséklet, a nyomás és a kémiai összetétel nagyon széles tartományban változik a magasságtól függően.

A nap sugárzással és nagy energiájú részecskékkel bombázza a légkört; ennek a ténynek nagyon jelentős kémiai hatása van a légkör minden rétegében, de különösen a felső és a külső rétegben.

-Sztratoszféra

A fotodissociációs és fotoionizációs reakciók a légkör külső régióiban fordulnak elő. A Föld felszínétől mérve, a sztratoszférában mérve 30–90 km magasságban van egy olyan réteg, amely főként ózonot (O ₃) tartalmaz, az úgynevezett ózonréteg.

Ózon réteg

Az ózon elnyeli a nagy energiájú ultraibolya sugárzást, amely a Napból származik, és ha nem lenne ennek a rétegnek a létezése, akkor a bolygó egyik ismert életformája sem tudna életben maradni.

1995-ben a Mario J. Molina (mexikói), a francia S. Rowland (amerikai) és a Paul Crutzen (holland) légköri vegyészek Nobel-díjat nyertek a kémiai kutatásban az ózon sztratoszférában való elpusztítására és lebontására irányuló kutatásaikért.

2. ábra. Az ózonréteg lebontásának vázlata. A nasa.gov-tól

1970-ben Crutzen kimutatta, hogy a nitrogén-oxidok katalitikus kémiai reakciók révén elpusztítják az ózonot. Ezt követően Molina és Rowland 1974-ben kimutatták, hogy a klór-fluor-szénhidrogén-vegyületekben lévő klór szintén képes az ózonréteg elpusztítására.

-Troposzféra

A földfelszín közelében, 0–12 km magas légköri réteget, troposzféra néven nevezik, főleg nitrogénből (N ₂) és oxigénből (O ₂) áll.

Mérgező gázok

Az emberi tevékenységek eredményeként a troposzféra számos további vegyi anyagot tartalmaz, amelyek légszennyezőnek tekinthetők, például:

• Szén-dioxid és monoxid (CO ₂ és CO).
• Metán (CH ₄).
• Nitrogén-oxid (NO).
• Kén-dioxid (SO ₂).
• Ózon O ₃ (szennyező anyagnak tekinthető a troposzférában)
• Illékony szerves vegyületek (VOC-k), porok vagy szilárd részecskék.

Számos egyéb anyag közül, amelyek befolyásolják az emberek, a növények és az állatok egészségét.

Savas eső

A kén-oxidok (SO ₂ és SO ₃) és a nitrogén-oxidok, például a dinitrogén-oxid (NO ₂) újabb környezeti problémát okoznak, az úgynevezett savas esőt.

Ezek az oxidok, amelyek a troposzférában főként fosszilis tüzelőanyagok ipari tevékenységekben és szállítás során történő égéséből származnak, reagál az esővízzel kénsavat és salétromsavat fejlesztve, és ennek következtében savas csapadék képződik.

3. ábra: A savas eső sémája. Forrás: Alfredsito94, a Wikimedia Commonsból

Az erős savakat tartalmazó eső kicsapásával számos környezeti problémát vált ki, például a tengerek és az édesvizek megsavanyodását. Ez a vízi szervezetek halálát okozza; a talajok savasodása, amely a növények halálát okozza, valamint az épületek, hidak és műemlékek korróziós kémiai hatású megsemmisülését okozza.

További légköri környezeti problémák a fotokémiai szmog, amelyet főleg a nitrogén-oxidok és a troposzféra ózon okoznak.

Globális felmelegedés

A globális felmelegedés által termelt nagy koncentrációban légköri CO ₂ és más üvegházhatást okozó gázok (GHG), amelyek elnyelik sok a kibocsátott infravörös sugárzást a Föld felszínén, és csapdába ejtik a hőt a troposzférában. Ez klímaváltozást idéz elő a bolygón.

A hidroszféra környezeti kémiája

A hidroszférát a Föld összes vízteste alkotja: felszíni vagy vizes élőhelyek - óceánok, tavak, folyók, források -, valamint a föld alatti vagy víztartó rétegeket.

- Friss víz

A víz a leggyakoribb folyékony anyag a bolygón, lefedi a Föld felszínének 75% -át, és nélkülözhetetlen az élethez.

Az élet minden formája édesvíztől függ (vízként definiálva, amelynek sótartalma kisebb, mint 0,01%). A bolygó vízének 97% -a sós víz.

A fennmaradó 3% friss víz 87% -a található:

• A Föld pólusai (amelyek olvadnak és merülnek fel a tengerbe a globális felmelegedés miatt).
• A gleccserek (az eltűnés folyamatában is).
• Talajvíz.
• Víz gőz formájában, a légkörben.

A bolygó teljes édesvízének csupán 0,4% -a fogyasztható. A víz elpárologtatása az óceánokból és az esők csapadékának folyamatos biztosítása biztosítja ezt a kis százalékot.

A víz környezeti kémiája megvizsgálja a vízciklusban vagy a hidrológiai ciklusban bekövetkező kémiai folyamatokat, valamint technológiákat fejleszt az emberi fogyasztásra szánt víz tisztítására, az ipari és városi szennyvíz kezelésére, a tengervíz sótalanítására, az újrahasznosításra. és ezen erőforrás megtakarítása, többek között.

-A vízciklus

A Föld vízciklusa három fő folyamatból áll: párolgás, kondenzáció és csapadék, amelyekből három áramkör származik:

1. Felszíni lefolyás
2. Növény evapotranszpiráció
3. A beszivárgás, amelyben a víz a föld alatti szintekre (gyulladásos) jut, a víztartó csatornákon kering és a forrásokon, szökőkutakon vagy kutakon keresztül távozik.

4. ábra. Vízciklus. Forrás: Wasserkreislauf.png: -tól: Benutzer: Jooooderivatív munka: moyogo, a Wikimedia Commons segítségével

-Antropológiai hatások a víz körforgására

Az emberi tevékenységnek hatása van a vízkeringésre; az antropológiai cselekvés néhány oka és következménye a következő:

A talajfelület módosítása

Az erdők és a mezők erdőirtással történő megsemmisítéséből származik. Ez befolyásolja a víz körforgását azáltal, hogy kiküszöböli az evapotranszpirációt (a növények vízfelvétele és az izzadás és a párolgás révén visszatér a környezetbe), és növeli a lefolyást.

A felszíni lefolyás növekedése növeli a folyók áramlását és az áradásokat.

Az urbanizáció módosítja a talaj felületét és befolyásolja a vízkörforgást, mivel a porózus talajt át nem eresztő cement és aszfalt váltja fel, ami lehetetlenné teszi a beszivárgást.

Vízciklus-szennyezés

A vízciklus az egész bioszférat magában foglalja, következésképpen az emberi eredetű hulladékot különböző folyamatok beépítik ebbe a körbe.

A levegőben lévő kémiai szennyező anyagok beleépülnek az esőbe. A talajra alkalmazott agrokémiai szerek csurgalékot és beszivárgást szenvednek a víztartó rétegekbe, vagy folyókba, tavakba és tengerekbe fussanak.

Ugyancsak a zsírok és olajok hulladékát, valamint az egészségügyi hulladéklerakók szivárogtatásait a talajvízbe való beszivárgással szállítják.

Vízellátás kitermelése folyószámlálással a vízkészletekben

Ezek a folyószámla-folyósítási gyakorlatok a talajvíz és a felszíni vizek tartalékának kimerülését eredményezik, befolyásolják az ökoszisztémákat és a talaj helyi süllyedését eredményezik.

A talaj környezeti kémiája

A talaj a bioszféra egyensúlyának egyik legfontosabb tényezõje. Rögzítést, vizet és tápanyagokat biztosítanak a növényeknek, amelyek termelők a földi trópusi láncokban.

Talaj

A talaj három fázisból álló összetett és dinamikus ökoszisztémaként határozható meg: ásványi és szerves hordozóval ellátott szilárd fázis, vizes folyékony és gázfázis; egy adott faunával és növényvilággal (baktériumok, gombák, vírusok, növények, rovarok, fonálférgek, protozoonok) jellemzik.

A talaj tulajdonságait folyamatosan változtatják a környezeti feltételek és a benne kialakuló biológiai aktivitás.

Antropológiai hatások a talajra

A talajromlás olyan folyamat, amely csökkenti a talaj termelési képességét, és képes az ökoszisztéma mély és negatív változására.

A talajromlást okozó tényezők a következők: éghajlat, fiziográfia, litológia, vegetáció és emberi cselekvés.

5. ábra: Rontott talaj. Forrás: pexels.com

Emberi cselekedettel fordulhat elő:

• A talaj fizikai lebomlása (például a nem megfelelő gazdálkodásból és az állattenyésztésből származó tömörítés).
• A talaj kémiai lebomlása (savasodás, lúgosítás, sósodás, szennyezés agrokémiai anyagokkal, ipari és városi tevékenységekből származó szennyezésekkel, többek között olajszennyezés)
• A talaj biológiai lebomlása (a szervesanyag-tartalom csökkenése, a növényzet borításának romlása, többek között a nitrogént rögzítő mikroorganizmusok vesztesége).

Kémiai és környezeti kapcsolat

A környezeti kémia a három környezeti részben zajló különféle kémiai folyamatokat vizsgálja: légkör, hidroszféra és talaj. Érdekes felülvizsgálni egy kiegészítő megközelítést egy egyszerű kémiai modellnél, amely megpróbálja megmagyarázni az anyag globális transzferét a környezetben.

-Mardel Garrels és Lerman

Garrels és Lerman (1981) a Föld felszínének biogeokémia egyszerűsített modelljét fejlesztette ki, amely a légkör, a hidroszféra, a földkéreg és a benne lévő bioszféra kompartmentek kölcsönhatásait vizsgálja.

A Garrels és Lerman modell a bolygó hét fő alkotó ásványát veszi figyelembe:

1. Gipsz (CaSO ₄)
2. Pirit (FeS ₂)
3. Kalcium-karbonát (CaCO ₃)
4. Magnézium-karbonát (MgCO ₃)
5. Magnézium-szilikát (MgSiO ₃)
6. Vas-oxid (Fe ₂ O ₃)
7. Szilícium-dioxid (SiO ₂)

A bioszféra alkotó szerves anyagát (mind élő, mind halott) CH ₂ O- ként ábrázoljuk, amely az élő szövetek hozzávetőleges sztöchiometrikus összetétele.

A Garrels és Lerman modellben a geológiai változásokat az anyag nettó transzferjeként vizsgálják a bolygó e nyolc alkotóeleme között, kémiai reakciók és a tömegmegőrzés nettó egyenlege révén.

A CO felhalmozódása

Például ebben a modellben a CO ₂ légköri felhalmozódásának problémáját vizsgálják, mondván: jelenleg a bioszféraban tárolt szerves szént égetjük szén, olaj és földgáz formájában az altalajban a múltbeli geológiai időkben.

A fosszilis tüzelőanyagok intenzív égetésének eredményeként a légköri CO ₂ koncentrációja növekszik.

A CO növekedése ₂ koncentráció a földi légkör annak a ténynek köszönhető, hogy az arány a fosszilis szén égési mértéket túllépi szén felszívódását a más alkatrészek a Föld biogeokémiai rendszer (például fotoszintetikus szervezetek és például hidroszféra).

Ilyen módon az emberi tevékenységek miatt a légkörbe kibocsátott CO ₂ kibocsátása meghaladja a szabályozási rendszert, amely modulálja a Földön bekövetkező változásokat.

A bioszféra mérete

A Garrels és Lerman által kifejlesztett modell úgy véli, hogy a bioszféra mérete növekszik és csökken a fotoszintézis és a légzés közötti egyensúly eredményeként.

A földi élet története során a bioszféra tömege fokozatosan növekedett, magas szintézis mellett. Ennek eredménye a nettó szerves szén-tárolás és az oxigénkibocsátás:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

A légzés, mint a mikroorganizmusok és magasabb állatok metabolikus aktivitása, átalakítja a szerves szént szén-dioxiddá (CO ₂) és vízzé (H ₂ O), vagyis megfordítja az előző kémiai reakciót.

A víz jelenléte, a szerves szén tárolása és a molekuláris oxigén előállítása alapvető fontosságú az élet létezéséhez.

Környezeti kémia alkalmazások

A környezeti kémia megoldásokat kínál az emberi tevékenység által okozott környezeti károk megelőzésére, enyhítésére és orvoslására. Ezen megoldások közül néhányat megemlíthetünk:

• Új anyagok tervezése, az úgynevezett MOF's (rövidítés angolul: Metal Organic Framework). Ezek nagyon porózus, és képesek legyenek: elnyelni és megtartani a CO ₂, megkapjuk H ₂ O a levegőből gőz a sivatagi területeken és tárolja H ₂ a kis tartályokban.
• A hulladék alapanyagá történő átalakítása. Például a kopott gumiabroncsok használata műfüves vagy cipőtalp előállításához. Szintén a növényi metszés során keletkező hulladék felhasználása biogáz vagy bioetanol előállításához.
• CFC helyettesítők kémiai szintézise.
• Alternatív energiák, például hidrogéncellák fejlesztése nem szennyező áram előállításához.
• A légköri szennyezés szabályozása inert szűrőkkel és reaktív szűrőkkel.
• A tengervíz sótalanítása fordított ozmózissal.
• Új anyagok kifejlesztése vízben szuszpendált kolloid anyagok flokkulálására (tisztítási folyamat).
• A tó eutrofizációjának megfordítása.
• A "zöld kémia" kifejlesztése, amely a toxikus kémiai vegyületek kevésbé toxikus vegyületekkel való felváltását és a "környezetbarát" kémiai eljárásokat javasolja. Például kevésbé mérgező oldószerek és alapanyagok felhasználására alkalmazzák, többek között az iparban, a mosodák vegytisztításában.

Irodalom

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. és Cantrell, CA (1985). A savképződés kémiai mechanizmusai a troposzférában. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). A nitrogén-oxidok hatása a légköri tartalomra. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM és Lerman, A. (1981). Üledékes szén és kén fazerozoikus ciklusai. A Természettudományi Akadémia folyóiratai. USA 78: 4 652-4 656.
4. Hester, RE és Harrison, RM (2002). Globális környezeti változás. A Kémiai Királyi Társaság. 205. o.
5. Hites, RA (2007). A környezeti kémia elemei. Wiley-Interscience. 215. o.
6. Manahan, SE (2000). Környezeti kémia. Hetedik kiadás. CRC. 876. o
7. Molina, MJ és Rowland, FS (1974). Klorofluor-metánok sztratoszférikus mosogatója: Az ózon klóratom által katalizált megsemmisítése. Természet. 249: 810-812.
8. Morel, FM és Hering, JM (2000). A vízi kémia alapelvei és alkalmazásai. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. és Goliff, WS (2011). A troposzférikus légköri kémia és a gázfázisú kémiai mechanizmusok áttekintése a levegőminőség modellezésére. Atmosphere, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001