ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: НАПРАВЛЕНИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2025

Химия окружающей среды изучает химические процессы, происходящие в окружающей среде уровня. Это наука, которая применяет химические принципы к изучению экологических характеристик и воздействия деятельности человека.

Кроме того, химия окружающей среды разрабатывает методы предотвращения, смягчения и восстановления существующего экологического ущерба.

Рисунок 1. Схема земной атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы. Источник: Бояна Петрович, из Wikimedia Commons.

Химию окружающей среды можно разделить на три основных дисциплины:

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

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

Экологическая химия атмосферы

Атмосфера - это слой газов, окружающий Землю; он представляет собой очень сложную систему, в которой температура, давление и химический состав меняются с высотой в очень широких пределах.

Солнце бомбардирует атмосферу радиацией и частицами высоких энергий; этот факт имеет очень значительные химические эффекты во всех слоях атмосферы, но особенно в верхних и внешних слоях.

-Стратосфера

Реакции фотодиссоциации и фотоионизации происходят во внешних областях атмосферы. В области от 30 до 90 км высотой, измеренной от поверхности земли, в стратосфере находится слой, который в основном содержит озон (O ₃ ), называемый озоновым слоем.

Озоновый слой

Озон поглощает высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение, исходящее от Солнца, и если бы не существование этого слоя, ни одна из известных форм жизни на планете не смогла бы выжить.

В 1995 году атмосферные химики Марио Дж. Молина (мексиканец), Фрэнк С. Роуленд (американец) и Пол Крутцен (голландский) получили Нобелевскую премию по химии за свои исследования разрушения и истощения озона в стратосфере.

Рисунок 2. Схема истощения озонового слоя. С сайта nasa.gov

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

-Тропосфера

Слой атмосферы у поверхности земли высотой от 0 до 12 км, называемый тропосферой, в основном состоит из азота (N ₂ ) и кислорода (O ₂ ).

Токсичные газы

В результате деятельности человека тропосфера содержит много дополнительных химических веществ, считающихся загрязнителями воздуха, таких как:

• Двуокись углерода и окись углерода (CO ₂ и CO).
• Метан (CH ₄ ).
• Оксид азота (NO).
• Диоксид серы (SO ₂ ).
• Озон O ₃ (считается загрязнителем тропосферы)
• Летучие органические соединения (ЛОС), порошки или твердые частицы.

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

Кислотный дождь

Оксиды серы (SO ₂ и SO ₃ ) и оксиды азота, такие как закись азота (NO ₂ ), вызывают еще одну экологическую проблему, называемую кислотными дождями.

Эти оксиды, присутствующие в тропосфере в основном как продукты сгорания ископаемого топлива в промышленной деятельности и на транспорте, вступают в реакцию с дождевой водой, образуя серную и азотную кислоты, с последующим кислотным осаждением.

Рисунок 3. Схема кислотного дождя. Источник: Alfredsito94, Wikimedia Commons

Вызывая этот дождь, содержащий сильные кислоты, он вызывает ряд экологических проблем, таких как подкисление морей и пресных вод. Это вызывает гибель водных организмов; закисление почв, вызывающее гибель посевов и разрушение зданий, мостов и памятников в результате коррозионного химического воздействия.

Другими экологическими проблемами атмосферы являются фотохимический смог, вызываемый в основном оксидами азота и тропосферным озоном.

Глобальное потепление

Глобальное потепление вызывается высокими концентрациями атмосферного CO ₂ и других парниковых газов (ПГ), которые поглощают большую часть инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Земли, и удерживают тепло в тропосфере. Это приводит к изменению климата на планете.

Экологическая химия гидросферы

Гидросфера состоит из всех водоемов на Земле: поверхности или водно-болотных угодий - океанов, озер, рек, источников - и подземных вод или водоносных горизонтов.

-Свежая вода

Вода - самое распространенное жидкое вещество на планете, она покрывает 75% поверхности Земли и абсолютно необходима для жизни.

Все формы жизни зависят от пресной воды (определяемой как вода с содержанием соли менее 0,01%). 97% воды на планете - это соленая вода.

Из оставшихся 3% пресной воды 87% находится в:

• Полюса Земли (которые тают и выливаются в моря из-за глобального потепления).
• Ледники (тоже исчезающие).
• Подземные воды.
• Вода в виде пара присутствует в атмосфере.

Только 0,4% всей пресной воды на планете доступно для потребления. Испарение воды из океанов и выпадение дождевых осадков постоянно обеспечивает этот небольшой процент.

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

-Водный цикл

Круговорот воды на Земле состоит из трех основных процессов: испарения, конденсации и осаждения, из которых вытекают три контура:

1. Поверхностный сток
2. Эвапотранспирация растений
3. Инфильтрация, при которой вода переходит на подземные уровни (фреатические), циркулирует по каналам водоносного горизонта и выходит через родники, фонтаны или колодцы.

Рисунок 4. Круговорот воды. Источник: Wasserkreislauf.png: от: Benutzer: Joooo, производная работа: moyogo, через Wikimedia Commons

-Антропологические воздействия на круговорот воды

Человеческая деятельность влияет на круговорот воды; Некоторые из причин и следствий антропологического воздействия следующие:

Модификация земной поверхности

Он возникает в результате уничтожения лесов и полей с обезлесением. Это влияет на круговорот воды, устраняя эвапотранспирацию (потребление воды растениями и возвращение в окружающую среду посредством потоотделения и испарения) и увеличивая сток.

Увеличение поверхностного стока приводит к увеличению стока рек и наводнений.

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

Загрязнение водного цикла

Круговорот воды включает в себя всю биосферу, и, следовательно, антропогенные отходы включаются в этот круговорот различными процессами.

Химические загрязнители воздуха попадают в дождь. Агрохимикаты, вносимые в почву, подвергаются фильтрату и инфильтрации в водоносные горизонты или стекают в реки, озера и моря.

Также отходы жиров и масел и продукты выщелачивания санитарных свалок переносятся путем инфильтрации в грунтовые воды.

Добыча воды с овердрафтом в водные ресурсы

Эти методы овердрафта приводят к истощению запасов подземных и поверхностных вод, влияют на экосистемы и вызывают локальное проседание почвы.

Экологическая химия почвы

Почвы - один из важнейших факторов баланса биосферы. Они обеспечивают закрепление, воду и питательные вещества для растений, которые являются продуцентами в наземных трофических цепях.

Почва

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

Свойства почвы постоянно меняются условиями окружающей среды и развивающейся в ней биологической активностью.

Антропологические воздействия на почву

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

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

Рисунок 5. Деградированная почва. Источник: pexels.com

В результате действий человека может произойти:

• Физическая деградация почвы (например, уплотнение из-за неправильного ведения сельского хозяйства и разведения скота).
• Химическая деградация почвы (закисление, ощелачивание, засоление, загрязнение агрохимикатами, сточными водами от промышленных предприятий и городов, разливы нефти и др.).
• Биологическая деградация почвы (снижение содержания органических веществ, деградация растительного покрова, потеря азотфиксирующих микроорганизмов и др.).

Химическая связь с окружающей средой

Химия окружающей среды изучает различные химические процессы, происходящие в трех средах: атмосфере, гидросфере и почве. Интересно рассмотреть дополнительный подход к простой химической модели, который пытается объяснить глобальный перенос вещества, происходящий в окружающей среде.

-Модель Гаррелс и Лерман

Гаррелс и Лерман (1981) разработали упрощенную модель биогеохимии земной поверхности, которая изучает взаимодействия между частями атмосферы, гидросферы, земной коры и включенной биосферы.

Модель Гаррелса и Лермана рассматривает семь основных составляющих минералов планеты:

1. Гипс (CaSO ₄ )
2. Пирит (FeS ₂ )
3. Карбонат кальция (CaCO ₃ )
4. Карбонат магния (MgCO ₃ )
5. Силикат магния (MgSiO ₃ )
6. Оксид железа (Fe ₂ O ₃ )
7. Диоксид кремния (SiO ₂ )

Составное органическое вещество биосферы (как живое, так и мертвое) представлено в виде CH ₂ O, который является приблизительным стехиометрическим составом живых тканей.

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

Накопление CO

Например, проблема накопления CO ₂ в атмосфере изучается в 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 геологические времена прошлого. .

В результате этого интенсивного сжигания ископаемого топлива концентрация атмосферного CO ₂ увеличивается.

Увеличение концентрации CO ₂ в атмосфере Земли связано с тем, что скорость сжигания ископаемого углерода превышает скорость поглощения углерода другими компонентами биогеохимической системы Земли (такими как фотосинтезирующие организмы и гидросфера, например).

Таким образом, выброс CO ₂ в атмосферу в результате деятельности человека превосходит систему регулирования, которая регулирует изменения на Земле.

Размер биосферы

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

На протяжении истории жизни на Земле масса биосферы увеличивалась поэтапно с высокими темпами фотосинтеза. Это привело к чистому хранению органического углерода и выбросу кислорода:

СО ₂ + Н ₂ О → СН ₂ О + О ₂

Дыхание как метаболическая активность микроорганизмов и высших животных превращает органический углерод обратно в диоксид углерода (CO ₂ ) и воду (H ₂ O), то есть обращает предыдущую химическую реакцию.

Присутствие воды, накопление органического углерода и производство молекулярного кислорода имеют фундаментальное значение для существования жизни.

Приложения химии окружающей среды

Химия окружающей среды предлагает решения для предотвращения, смягчения и устранения ущерба окружающей среде, причиненного деятельностью человека. Среди некоторых из этих решений можно отметить:

• Дизайн из новых материалов получил название MOF's (от английского аббревиатуры Metal Organic Frameworks). Они очень пористые и способны: поглощать и удерживать CO ₂ , получать H ₂ O из воздушного пара в пустынных районах и хранить H ₂ в небольших контейнерах.
• Превращение отходов в сырье. Например, использование изношенных шин при производстве искусственной травы или подошв для обуви. Также использование отходов обрезки сельскохозяйственных культур в производстве биогаза или биоэтанола.
• Химический синтез заменителей CFC.
• Развитие альтернативных источников энергии, таких как водородные элементы, для производства экологически чистой электроэнергии.
• Контроль загрязнения атмосферы с помощью инертных фильтров и реактивных фильтров.
• Опреснение морской воды методом обратного осмоса.
• Разработка новых материалов для флокуляции взвешенных в воде коллоидных веществ (процесс очистки).
• Обращение вспять эвтрофикации озера.
• Развитие «зеленой химии», направления, предлагающего замену токсичных химических соединений менее токсичными, и «экологически чистые» химические процедуры. Например, он применяется при использовании менее токсичных растворителей и сырья, в промышленности, в том числе при химической чистке прачечных.

Ссылки

1. Калверт, Дж. Дж., Лазрус, А., Кок, Г. Л., Хейкс, Б. Г., Валега, Дж. Г., Линд, Дж., И Кантрелл, Калифорния (1985). Химические механизмы образования кислоты в тропосфере. Природа, 317 (6032), 27-35. DOI: 10.1038 / 317027a0.
2. Крутцен, П.Дж. (1970). Влияние оксидов азота на содержание атмосферы. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Гаррелс, Р.М., Лерман, А. (1981). Фанерозойские циклы осадочного углерода и серы. Известия Естественной Академии Наук. США 78: 4652-4656.
4. Хестер, Р. Э. и Харрисон, Р. М. (2002). Глобальное изменение окружающей среды. Королевское химическое общество. С. 205.
5. Хайтс, РА (2007). Элементы химии окружающей среды. Wiley-Interscience. стр 215.
6. Манахан, С.Е. (2000). Химия окружающей среды. Издание седьмое. CRC. стр. 876
7. Молина, М. Дж. И Роуленд, Ф. С. (1974). Стратосферный сток для хлорфторметанов: разрушение озона, катализируемое атомом хлора. Природа. 249: 810-812.
8. Морел, Ф.М. и Геринг, Дж. М. (2000). Принципы и приложения водной химии. Нью-Йорк: Джон Вили.
9. Стоквелл, У. Р., Лоусон, CV, Сондерс, Э., и Голифф, У. С. (2011). Обзор химии атмосферы и газовой фазы химических механизмов для моделирования качества воздуха. Атмосфера, 3 (1), 1–32. DOI: 10.3390 / atmos3010001