Экологическая химия область исследования и применения

химия окружающей среды Он изучает химические процессы, которые происходят на уровне окружающей среды. Это наука, которая применяет химические принципы для изучения экологических характеристик и воздействий, вызываемых деятельностью человека..

Кроме того, экологическая химия разрабатывает методы предотвращения, смягчения и восстановления существующего ущерба окружающей среде..

Химия окружающей среды может быть разделена на три основных дисциплины:

1. Экологическая химия атмосферы.
2. Экологическая химия гидросферы.
3. Экологическая химия почвы.

Комплексный подход к химии окружающей среды также требует изучения взаимосвязей между химическими процессами, происходящими в этих трех отсеках (атмосфера, гидросфера, почва), и их связями с биосферой..

индекс

• 1 Экологическая химия атмосферы
  • 1.1 -Стратосфера
  • 1.2 -Тропосфера
• 2 Экологическая химия гидросферы
  • 2.1 - Пресная вода
  • 2.2 - Водный цикл
  • 2.3 - Антропологические воздействия на водный цикл
• 3 Экологическая химия почвы
  • 3.1 Почва
  • 3.2 Антропологические воздействия на почву
• 4 Отношения между химией и окружающей средой
  • 4.1 -Модель Гаррелс и Лерман
• 5 Применение химии окружающей среды
• 6 Ссылки

Экологическая химия атмосферы

Атмосфера - это слой газов, который окружает Землю; это очень сложная система, где температура, давление и химический состав изменяются с высотой в очень широких пределах.

Солнце бомбардирует атмосферу радиацией и частицами высокой энергии; этот факт оказывает очень существенное химическое воздействие на все слои атмосферы, но, в частности, на верхний и внешний слои.

-стратосфера

Реакции фотодиссоциации и фотоионизации происходят во внешних областях атмосферы. В области высотой от 30 до 90 км, измеренной от поверхности земли, в стратосфере расположен слой, содержащий в основном озон (ИЛИ₃), называемый озоновым слоем.

Озоновый слой

Озон поглощает ультрафиолетовое излучение высокой энергии, которое исходит от Солнца, и если бы не существование этого слоя, ни один из известных способов жизни на планете не мог бы существовать..

В 1995 году химики-атмосферщики Марио Дж. Молина (мексиканец), Фрэнк С. Роуланд (американец) и Пол Крутцен (голландец) получили Нобелевскую премию по химии за исследования по разрушению и истощению озона в стратосфере..

В 1970 году Крутцен показал, что оксиды азота разрушают озон посредством каталитических химических реакций. Впоследствии Молина и Роуланд в 1974 году показали, что хлор хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) также способен разрушать озоновый слой.

-тропосфера

Атмосферный слой непосредственно над поверхностью земли, высотой от 0 до 12 км, называемый тропосферой, состоит в основном из азота (N₂) и кислород (O₂).

Токсичные газы

В результате деятельности человека в тропосфере содержится много дополнительных химических веществ, которые считаются загрязнителями воздуха, таких как:

• Двуокись и окись углерода (СО₂ и СО).
• Метан (СН₄).
• Оксид азота (NO).
• Диоксид серы (SO)₂).
• Озон О₃ (считается загрязняющим веществом в тропосфере)
• Летучие органические соединения (ЛОС), порошки или твердые частицы.

Среди многих других веществ, которые влияют на здоровье человека, растений и животных.

Кислотный дождь

Оксиды серы (SO₂ и так₃) и азотные, такие как закись азота (NO₂), вызвать еще одну экологическую проблему под названием кислотные дожди.

Эти оксиды, присутствующие в тропосфере в основном как продукты сгорания ископаемого топлива в промышленной деятельности и на транспорте, вступают в реакцию с дождевой водой с образованием серной кислоты и азотной кислоты с последующими кислотными осадками.

Высаживая этот дождь, содержащий сильные кислоты, он вызывает ряд экологических проблем, таких как подкисление морей и пресных вод. Это вызывает гибель водных организмов; подкисление почв, что вызывает гибель сельскохозяйственных культур и разрушение вследствие химического коррозионного воздействия зданий, мостов и памятников.

Другие атмосферные проблемы окружающей среды - фотохимический смог, вызванный главным образом оксидами азота и тропосферным озоном.

Глобальное потепление

Глобальное потепление вызвано высокими концентрациями СО₂ атмосферные и другие парниковые газы (ПГ), которые поглощают большую часть инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Земли, и задерживают тепло в тропосфере. Это вызывает изменение климата на планете.

Экологическая химия гидросферы

Гидросфера соответствует всем водоемам Земли: поверхностным или огромным - океанам, озерам, рекам, родникам - и подземным или водоносным слоям..

-Пресная вода

Вода является наиболее распространенным жидким веществом на планете, покрывает 75% поверхности Земли и абсолютно необходима для жизни..

Все формы жизни зависят от пресной воды (определяется как вода с содержанием соли менее 0,01%). 97% воды планеты - соленая вода.

Из оставшихся 3% пресной воды 87% находится в:

• Полюса Земли (которые тают и вливаются в моря из-за глобального потепления).
• Ледники (также в процессе исчезновения).
• Подземные воды.
• Вода в форме пара присутствует в атмосфере.

Только 0,4% всей пресной воды планеты доступно для потребления. Испарение воды из океанов и выпадение осадков постоянно обеспечивают этот небольшой процент.

Экологическая химия воды изучает химические процессы, которые происходят в водном цикле или гидрологическом цикле, а также разрабатывает технологии для очистки воды для потребления человеком, очистки промышленных и городских сточных вод, опреснения морской воды, рециркуляции и сохранение этого ресурса, среди прочего.

-Водный цикл

Водный цикл на Земле состоит из трех основных процессов: испарения, конденсации и осадков, из которых происходят три контура:

1. Поверхностный сток
2. Эвапотранспирация растений
3. Инфильтрация, при которой вода проходит на подземные уровни (подземные воды), циркулирует через каналы водоносного горизонта и выходит через источники, источники или колодцы..

-Антропологические воздействия на водный цикл

Деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды; Некоторые из причин и следствий антропологического действия следующие:

Модификация поверхности земли

Это вызвано уничтожением лесов и полей с обезлесением. Это влияет на круговорот воды, устраняя эвапотранспирацию (забирая воду через растения и возвращаясь в окружающую среду через испарение и испарение) и увеличивая сток.

Увеличение поверхностного стока вызывает увеличение речного стока и наводнений.

Урбанизация также изменяет поверхность земли и влияет на круговорот воды, поскольку пористая почва заменяется цементом и непроницаемым асфальтом, что делает невозможным проникновение.

Загрязнение водного цикла

Водный цикл включает в себя всю биосферу и, следовательно, отходы, генерируемые человеком, включаются в этот цикл различными процессами..

Химические загрязнители в воздухе попадают в дождь. Агрохимикаты, наносимые на почву, страдают от выщелачивания и инфильтрации в водоносные горизонты или стекают в реки, озера и моря.

Кроме того, отходы жиров и масел и выщелачивание свалок вывозятся путем инфильтрации в грунтовые воды..

Добыча воды с овердрафтом в водных ресурсах

Такая практика с использованием овердрафта вызывает истощение запасов подземных и поверхностных вод, влияет на экосистемы и вызывает локальное оседание почвы..

Экологическая химия почвы

Почвы являются одним из важнейших факторов баланса биосферы. Они обеспечивают растения, воду и питательные вещества для растений, которые являются производителями в наземных трофических цепях.

Пол

Почву можно определить как сложную и динамичную экосистему из трех фаз: твердой фазы минерального и органического носителя, водной жидкой фазы и газовой фазы; характеризуется наличием определенной фауны и флоры (бактерии, грибы, вирусы, растения, насекомые, нематоды, простейшие).

Свойства почвы постоянно меняются из-за условий окружающей среды и биологической активности, которая в ней развивается..

Антропологические воздействия на землю

Деградация почвы - это процесс, который снижает продуктивность почвы, способную вызвать глубокие и негативные изменения в экосистеме..

Факторы, которые вызывают деградацию почвы: климат, физиография, литология, растительность и деятельность человека.

В результате действий человека могут возникнуть:

• Физическая деградация почвы (например, уплотнение из-за неадекватного культивирования и практики животноводства).
• Химическая деградация почв (подкисление, подщелачивание, засоление, загрязнение агрохимикатами, стоки от промышленной и городской деятельности, разливы нефти и др.).
• Биологическая деградация почвы (снижение содержания органического вещества, деградация растительного покрова, потеря азотфиксирующих микроорганизмов и др.).

Химико-экологические отношения

Экологическая химия изучает различные химические процессы, которые происходят в трех средах: атмосфере, гидросфере и почве. Интересно рассмотреть дополнительный акцент на простой химической модели, которая пытается объяснить глобальные переносы вещества, которые происходят в окружающей среде..

-Модель Гаррелса и Лермана

Гаррелс и Лерман (1981) разработали упрощенную модель биогеохимии земной поверхности, которая изучает взаимодействие между атмосферой, гидросферой, земной корой и включенными биосферными отсеками..

Модель Гаррелса и Лермана рассматривает семь основных составляющих минералов планеты:

1. Гипс (CaSO₄)
2. Пирит (FeS₂)
3. Карбонат кальция (СаСО₃)
4. Карбонат магния (MgCO₃)
5. Силикат магния (MgSiO₃)
6. Оксид железа (Fe₂О₃)
7. Диоксид кремния (SiO)₂)

Органическое вещество, составляющее биосферу (живое и мертвое), представлено как СН₂Или, который является приблизительным стехиометрическим составом живых тканей.

В модели Гаррелса и Лермана геологические изменения изучаются как чистые переносы вещества между этими восемью компонентами планеты посредством химических реакций и чистого баланса сохранения массы..

Накопление СО₂ в атмосфере

Например, проблема накопления СО₂ в атмосфере изучается по этой модели, утверждая, что: в настоящее время мы сжигаем органический углерод, хранящийся в биосфере в виде угля, нефти и природного газа, отложенных в недрах в прошлые геологические времена.

В результате этого интенсивного сжигания ископаемого топлива концентрация СО₂ Атмосфера увеличивается.

Увеличение концентрации СО₂ в земной атмосфере это происходит потому, что скорость сжигания ископаемого углерода превышает скорость поглощения углерода другими компонентами биогеохимической системы Земли (например, фотосинтезирующими организмами и гидросферой).

Таким образом, выброс СО₂ в атмосферу в результате деятельности человека, превосходит регуляторную систему, которая модулирует изменения на Земле.

Размер биосферы

Модель, разработанная Гаррелсом и Лерманом, также считает, что размер биосферы увеличивается и уменьшается в результате баланса между фотосинтезом и дыханием..

В течение истории жизни на Земле масса биосферы увеличивалась поэтапно с высокими показателями фотосинтеза. Это привело к чистому хранению выбросов органического углерода и кислорода:

Колорадо₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Дыхание как метаболическая активность микроорганизмов и высших животных, превращает органический углерод обратно в диоксид углерода (CO₂) и вода (H₂О), то есть полностью изменяет предыдущую химическую реакцию.

Наличие воды, хранение органического углерода и производство молекулярного кислорода имеют основополагающее значение для существования жизни.

Приложения химии окружающей среды

Экологическая химия предлагает решения для предотвращения, смягчения и устранения ущерба окружающей среде, вызванного деятельностью человека. Среди некоторых из этих решений мы можем упомянуть:

• Дизайн новых материалов под названием MOF's (для его аббревиатуры на английском языке: Металлические Органические Каркасы). Они очень пористые и обладают способностью: поглощать и удерживать СО₂, получить H₂Или пары воздуха из пустынных районов и хранилища H₂ в маленьких контейнерах.
• Переработка отходов в сырье. Например, использование изношенных шин при производстве искусственной травы или подошв для обуви. Также использование отходов обрезки сельскохозяйственных культур, при производстве биогаза или биоэтанола.
• Химический синтез заменителей ХФУ.
• Развитие альтернативных источников энергии, таких как водородные элементы, для производства чистого электричества.
• Контроль загрязнения атмосферы с помощью инертных фильтров и реактивных фильтров.
• Опреснение морской воды методом обратного осмоса.
• Разработка новых материалов для флокуляции коллоидных веществ, взвешенных в воде (процесс очистки).
• Возврат эвтрофикации озер.
• Развитие «зеленой химии», тенденции, предполагающей замену токсичных химических соединений менее токсичными, и «экологически чистые» химические процедуры. Например, он применяется при использовании менее токсичных растворителей и сырья, в промышленности, при химической чистке прачечных и других..

ссылки

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J. и Cantrell, C.A. (1985). Химические механизмы генерации кислоты в тропосфере. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Крутцен, П.Дж. (1970). Влияние оксидов азота на содержание в атмосфере. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Гаррелс Р.М. и Lerman A. (1981). Фанерозойские циклы осадочного углерода и серы. Труды Естественной Академии Наук. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester R.E. и Harrison R.M. (2002). Глобальные экологические изменения. Королевское химическое общество. с. 205.
5. Хайтс, Р. А. (2007). Элементы экологической химии. Wiley Interscience. с. 215.
6. Manahan, S.E. (2000). Экологическая химия. Седьмое издание. CRC. с. 876
7. Молина М.Дж. и Rowland, F.S. (1974). Стратосферный сток хлорфторметанов: катализируемое атомами хлора разрушение озона. Природа. 249: 810-812.
8. Морель Ф.М. и Hering, J.M. (2000). Принципы и применение водной химии. Нью-Йорк: Джон Уайли.
9. Stockwell, W.R., Lawson, C.V., Saunders, E., and Goliff, W.S. (2011). Обзор тропосферной химии атмосферы и газофазных химических механизмов для моделирования качества воздуха. Атмосфера, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001