- Química ambiental de l'atmosfera
- -Estratósfera
- Capa d'ozó
- -Tropósfera
- gasos tòxics
- pluja àcida
- escalfament global
- Química ambiental de la hidrósfera
- -El aigua dolça
- -El cicle de l'aigua
- Impactes antropològics sobre el cicle de l'aigua
- Modificació de la superfície terrestre
- Contaminació de el cicle de l'aigua
- Extracció de provisions d'aigua amb sobregiro en els recursos hídrics
- Química ambiental de terra
- el sòl
- Impactes antropològics sobre el sòl
- Relació química-ambient
- -Model Garrels i Lerman
- L'acumulació de CO
- La mida de la biosfera
- Aplicacions de la química ambiental
- referències
La química ambiental estudia els processos químics que tenen lloc a l'nivell ambiental. És una ciència que aplica els principis químics a l'estudi de l'funcionament ambiental i dels impactes generats per les activitats humanes.
Addicionalment, la química ambiental dissenya tècniques de prevenció, mitigació i remediació dels danys ambientals existents.
Figura 1. Esquema de l'atmosfera, hidrosfera, litosfera i biosfera terrestres. Font: Bojana Petrović, from Wikimedia Commons
La química ambiental pot subdividir-se en tres disciplines bàsiques que són:
- Química ambiental de l'atmosfera.
- Química ambiental de la hidrósfera.
- Química ambiental de terra.
Un enfocament integral de la química ambiental requereix addicionalment de l'estudi de les interrelacions entre els processos químics que ocorren en aquests tres compartiments (atmosfera, hidrosfera, sòl) i les seves relacions amb la biosfera.
Química ambiental de l'atmosfera
L'atmosfera és la capa de gasos que envolta la Terra; constitueix un sistema molt complex, on la temperatura, la pressió i la composició química, varien amb l'altitud en rangs molt amplis.
El sol bombardeja a l'atmosfera amb radiació i partícules d'alta energia; aquest fet té efectes químics molt significatius en totes les capes de l'atmosfera, però en particular, en les capes més altes i externes.
-Estratósfera
A les regions externes de l'atmosfera tenen lloc reaccions de fotodisociación i fotoionització. A la regió entre 30 i 90 km d'altura mesurada des de la superfície terrestre, en l'estratosfera, està ubicada una capa que conté majoritàriament ozó (O 3), anomenada capa d'ozó.
Capa d'ozó
L'ozó absorbeix la radiació ultraviolada d'alta energia que prové de el sol i de no ser per l'existència d'aquesta capa, cap forma de vida coneguda al planeta, podria subsistir.
El 1995, els químics atmosfèrics Mario J. Molina (mexicà), Frank S. Rowland (nord-americà) i Paul Crutzen (holandès), van guanyar el Premi Nobel de Química per les seves investigacions sobre la destrucció i l'esgotament de l'ozó a l'estratosfera.
Figura 2. Esquema de l'esgotament en la capa d'ozó. from nasa.gov
El 1970 Crutzen va demostrar que els òxids de nitrogen destrueixen a l'ozó a través de reaccions químiques catalítiques. Posteriorment Molina i Rowland el 1974, van evidenciar que el clor dels compostos clorofluorocarbonats (CFC), és també capaç de destruir la capa d'ozó.
-Tropósfera
La capa atmosfèrica immediata a la superfície terrestre, entre 0 a 12 km d'altura, anomenada tropósfera, està composta principalment per nitrogen (N 2) i oxigen (O 2).
gasos tòxics
Com a resultat de les activitats humanes, la tropósfera conté moltes substàncies químiques addicionals considerades contaminants atmosfèrics com:
- Diòxid i monòxid de carboni (CO 2 i CO).
- Metà (CH 4).
- Òxid de nitrogen (NO).
- Diòxid de sofre (SO 2).
- Ozó O 3 (considerat contaminant en la tropósfera)
- Compostos orgànics volàtils (COV s), pols o partícules sòlides.
Entre molts altres substàncies, que afecten la salut humana i de plantes i animals.
pluja àcida
Els òxids de sofre (SO 2 i SO 3) i els de nitrogen com l'òxid nitrós (NO 2), provoquen un altre problema ambiental anomenat pluja àcida.
Aquests òxids, presents a la tropósfera majoritàriament com a productes de la combustió de combustibles fòssils en activitats industrials i transport, reaccionen amb l'aigua de pluja produint àcid sulfúric i àcid nítric, amb les conseqüents precipitacions àcides.
Figura 3. Esquema de la pluja àcida. Font: Alfredsito94, from Wikimedia Commons
A l'precipitar aquesta pluja que conté àcids forts, desencadena diversos problemes ambientals com l'acidificació dels mars i de les aigües dolces. Això causa la mort d'organismes aquàtics; l'acidificació de sòls que provoca mort de collites i la destrucció per acció química corrosiva de construccions, ponts i monuments.
Altres problemes ambientals atmosfèrics són el smog fotoquímic, causat principalment pels òxids de nitrogen i l'ozó troposfèric
escalfament global
L'escalfament global és produït per les altes concentracions de CO 2 atmosfèric i altres gasos d'efecte hivernacle (GEH s), els quals absorbeixen gran part de la radiació infraroja que emet la superfície de la Terra i atrapen la calor a la tropósfera. Això genera el canvi climàtic al planeta.
Química ambiental de la hidrósfera
La hidrosfera està conformada per tots els cossos d'aigua de la Terra: superficials o aiguamolls - oceans, llacs, rius, brolladors - i subterranis o aqüífers.
-El aigua dolça
L'aigua és la substància líquida més comú en el planeta, cobreix el 75% de la superfície terrestre i és absolutament indispensable per a la vida.
Totes les formes de vida depenen de l'aigua dolça (definida com aigua amb contingut de sals menor a 0,01%). El 97% de l'aigua de l'planeta és aigua salada.
De el 3% d'aigua dolça restant, el 87% està a:
- Els pols de la Terra (que s'estan fonent i abocant en els mars per efecte de l'escalfament global).
- Les glaceres (també en procés de desaparició).
- Les aigües subterrànies.
- L'aigua en forma de vapor present en l'atmosfera.
Només el 0,4% de l'aigua dolça total de la planeta, està disponible per al seu consum. L'evaporació d'l'aigua dels oceans i la precipitació de pluges, proveeixen contínuament d'aquest petit percentatge.
La química ambiental d'l'aigua estudia els processos químics que ocorren en el cicle de l'aigua o cicle hidrològic i també desenvolupa tecnologies per a la purificació d'aigües per a consum humà, el tractament d'aigües residuals industrials i urbanes, la dessalinització d'aigua de mar, el reciclatge i estalvi d'aquest recurs, entre d'altres.
-El cicle de l'aigua
El cicle de l'aigua a la Terra, consta de tres processos principals: evaporació, condensació i precipitació, dels quals es deriven tres circuits:
- El escorriment superficial
- L'evapotranspiració de les plantes
- La infiltració, en el qual l'aigua passa a nivells subterranis (freàtics), circula per canals aqüífers i surt per brolladors, fonts o pous.
Figura 4. Cicle de l'aigua. Font: Wasserkreislauf.png: de: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons
Impactes antropològics sobre el cicle de l'aigua
L'activitat humana té impactes sobre el cicle de l'aigua; algunes de les causes i efectes de l'acció antropològica són les següents:
Modificació de la superfície terrestre
Es genera per destrucció de boscos i camps amb desforestació. Això afecta el cicle de l'aigua a l'eliminar l'evapotranspiració (presa d'aigua per les plantes i retorn a l'ambient per transpiració i evaporació) i als el augmentar els escorriments.
L'augment de l'escorriment superficial produeix augment de l'cabal dels rius i inundacions.
La urbanització també modifica la superfície terrestre i afecta el cicle de l'aigua, ja que el sòl porós és reemplaçat per ciment i asfalt impermeable, la qual cosa impossibilita la infiltració.
Contaminació de el cicle de l'aigua
El cicle de l'aigua involucra a tota la biosfera i en conseqüència, les deixalles generades per l'ésser humà, s'incorporen a aquest cicle per diferents processos.
Els contaminants químics de l'aire, s'incorporen a la pluja. Els agroquímics aplicats a terra, pateixen lixiviat i infiltració fins als aqüífers, o s'escorren a rius, llacs i mars.
També les deixalles de greixos i olis i els lixiviats dels abocadors, són arrossegats per infiltració fins a les aigües subterrànies.
Extracció de provisions d'aigua amb sobregiro en els recursos hídrics
Aquestes pràctiques amb sobregiro, produeixen esgotament de les reserves freàtiques i d'aigües superficials, afecten els ecosistemes i produeixen enfonsaments locals de terra.
Química ambiental de terra
Els sòls constitueixen un dels factors més importants de l'equilibri de la biosfera. Subministren ancoratge, aigua i nutrients a les plantes, les quals són productores en les cadenes tròfiques terrestres.
el sòl
El sòl pot definir-se com un ecosistema complex i dinàmic de tres fases: una fase sòlida de suport mineral i orgànic, una fase líquida aquosa i una fase gasosa; caracteritzat per tenir una fauna i flora particulars (bacteris, fongs, virus, plantes, insectes, nematodes, protozoaris).
Les propietats de terra estan en constant modificació per les condicions ambientals i per l'activitat biològica que en ell es desenvolupen.
Impactes antropològics sobre el sòl
La degradació de terra és un procés que disminueix la capacitat productiva de terra, capaç de produir un canvi profund i negatiu en l'ecosistema.
Els factors que produeixen degradació de sòls són: el clima, la fisiografia, la litologia, la vegetació i l'acció humana.
Figura 5. Sòl degradat. Font: pexels.com
Per l'acció humana pot produir-se:
- Degradació física de terra (per exemple, compactació per pràctiques de cultiu i de ramaderia inadequades).
- Degradació química de terra (acidificació, alcalinització, salinització, contaminació amb agroquímics, amb efluents d'activitat industrial i urbana, vessaments de petroli, entre d'altres).
- Degradació biològica de terra (disminució de l'contingut de matèria orgànica, degradació de la coberta vegetal, pèrdua de microorganismes fixadors de nitrogen, entre d'altres).
Relació química-ambient
La química ambiental estudia els diferents processos químics que tenen lloc en els tres compartiments ambientals: atmosfera, hidrosfera i sòl. Resulta interessant revisar un enfocament addicional sobre un model químic senzill, que intenta explicar les transferències globals de matèria que ocorren en l'ambient.
-Model Garrels i Lerman
Garrels i Lerman (1981), van desenvolupar un model simplificat de la biogeoquímica de la superfície de la Terra, el qual estudia les interaccions entre els compartiments atmosfera, hidrosfera, escorça terrestre i la biosfera inclosa.
El model de Garrels i Lerman considera 07:00 minerals majoritaris constitutius de la planeta:
- Guix (CAS 4)
- Pirita (FES 2)
- Carbonat de calci (CaCO 3)
- Carbonat de magnesi (MgCO 3)
- Silicat de magnesi (MgSiO 3)
- Òxid fèrric (Fe 2 O 3)
- Diòxid de silici (SiO 2)
La matèria orgànica constituent de la biosfera (tant viva com morta), es representa com CH 2 O, la qual és la composició estequiomètrica aproximada dels teixits vius.
En el model de Garrels i Lerman els canvis geològics s'estudien com transferències netes de matèria entre aquests vuit components de la planeta, a través de reaccions químiques i un balanç net de conservació de masses.
L'acumulació de CO
Per exemple, el problema de l'acumulació de CO 2 a l'atmosfera s'estudia en aquest model, dient que: en l'actualitat estem cremant el carboni orgànic emmagatzemat en la biosfera com carbó, petroli i gas natural dipositats al subsòl en temps geològics passats.
A conseqüència d'aquesta crema intensiva de combustibles fòssils, la concentració de CO 2 atmosfèric està augmentant.
L'augment de les concentracions de CO 2 en l'atmosfera terrestre es deu al fet que la taxa de combustió de carboni fòssil, supera la taxa d'absorció de carboni pels altres components de sistema biogeoquímic de la Terra (com són els organismes fotosintètics i la hidrosfera, per exemple).
D'aquesta manera, l'emissió de CO 2 a l'atmosfera a causa de les activitats humanes, sobrepassa a sistema de regulació que modula els canvis a la Terra.
La mida de la biosfera
El model desenvolupat per Garrels i Lerman, també considera que la mida de la biosfera augmenta i disminueix com a resultat de el balanç entre la fotosíntesi i la respiració.
Durant la història de la vida a la Terra, la massa de la biosfera augmentar en les etapes amb altes taxes de fotosíntesi. Això va originar un emmagatzematge net de carboni orgànic i emissió d'oxigen:
CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2
La respiració com a activitat metabòlica dels microorganismes i animals superiors, converteix el carboni orgànic novament en diòxid de carboni (CO 2) i aigua (H 2 O), és a dir, reverteix la reacció química anterior.
La presència d'aigua, l'emmagatzematge de carboni orgànic i la producció d'oxigen molecular, són fonamentals per a l'existència de la vida.
Aplicacions de la química ambiental
La química ambiental ofereix solucions de prevenció, mitigació i remediació dels danys ambientals ocasionats per l'activitat humana. Entre algunes d'aquestes solucions podem esmentar:
- El disseny de nous materials anomenats MOF's (per les seves sigles en anglès: Metall Organic Frameworks). Aquests són molt porosos i presenten capacitat de: absorbir i retenir CO 2, obtenir H 2 O de el vapor d'l'aire de zones desèrtiques i emmagatzemar H 2 en petits contenidors.
- La conversió de deixalles en matèries primeres. Per exemple, l'ús de pneumàtics desgastats en la producció de grama artificial o soles de sabates. També l'ús de les deixalles de podes de cultius, en la generació de biogàs o bioetanol.
- Les síntesis químiques de substituts de CFC.
- El desenvolupament d'energies alternes, com cel·les d'hidrogen, per a la generació d'electricitat no contaminant.
- El control de la contaminació atmosfèrica, amb filtres inerts i filtres reactius.
- La dessalinització d'aigua de mar per osmosi inversa.
- El desenvolupament de nous materials per a la floculació de substàncies coloidals suspeses en l'aigua (procés de potabilització).
- La reversió de l'eutrofització de llacs.
- El desenvolupament de la "química verda", tendència que proposa la substitució de compostos químics tòxics per altres menys tòxics, i procediments químics "amigables amb l'ambient". Per exemple, s'aplica en l'ús de solvents i matèries primeres menys tòxiques, en la indústria, en el rentat a l'sec de les bugaderies, entre d'altres.
referències
- Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., and Cantrell, CA (1985). Chemical mechanisms of acid generation in the troposphere. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
- Crutzen, PJ (1970). The influence of nitrogen oxides on the atmospheric content. QJR Metheorol. Soc. Wiley- Blackwell. 96: 320-325.
- Garrels, RM and Lerman, A. (1981). Phanerozoic cycles of sedimentary carbon and sulfur. Proceedings of the Natural Academy of Sciences. USA 78: 4652-4656.
- Hester, RE and Harrison, RM (2002). Global Environmental Change. Royal Society of Chemistry. pp 205.
- Hites, RA (2007). Elements of Environmental Chemistry. Wiley-Interscience. pp 215.
- Manahan, ES (2000). Environmental Chemistry. Seventh edition. CRC. pp 876
- Molina, MJ and Rowland, FS (1974). Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: Chlorine atom- catalyzed destruction of ozone. Nature. 249: 810-812.
- Morel, FM and Hering, JM (2000). Principles and Applications of Aquatic Chemistry. New York: John Wiley.
- Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., and Goliff, WS (2011). A Review of Tropospheric Atmospheric Chemistry and Gas-Phase Chemical Mechanisms for Air Quality Modeling. Atmosphere, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001