VIDES ĶĪMIJA: STUDIJU JOMA UN PIELIETOJUMS - VIDE - 2025

Vides ķīmija pēta ķīmiskos procesus, kas notiek pie vides līmenī. Tā ir zinātne, kas ķīmiskos principus piemēro vides veiktspējas un cilvēku darbību radītās ietekmes pētījumiem.

Turklāt vides ķīmija izstrādā esošajai videi nodarītā kaitējuma novēršanas, mazināšanas un seku novēršanas paņēmienus.

1. attēls. Zemes atmosfēras, hidrosfēras, litosfēras un biosfēras diagramma. Avots: Bojana Petrović, no Wikimedia Commons

Vides ķīmiju var iedalīt trīs pamatdisciplīnās, kas ir:

1. Atmosfēras vides ķīmija.
2. Hidrosfēras vides ķīmija.
3. Augsnes vides ķīmija.

Visaptverošai pieejai vides ķīmijai papildus ir nepieciešams izpētīt savstarpējo saistību starp ķīmiskajiem procesiem, kas notiek šajos trīs nodalījumos (atmosfēra, hidrosfēra, augsne), un to attiecībām ar biosfēru.

Atmosfēras vides ķīmija

Atmosfēra ir gāzu slānis, kas ieskauj Zemi; tā veido ļoti sarežģītu sistēmu, kurā temperatūra, spiediens un ķīmiskais sastāvs mainās atkarībā no augstuma ļoti plašās diapazonās.

Saule bombardē atmosfēru ar starojumu un augstas enerģijas daļiņām; šim faktam ir ļoti būtiska ķīmiskā iedarbība visos atmosfēras slāņos, bet jo īpaši augšējā un ārējā slānī.

-Stratosfēra

Fotodisociācijas un fotoionizācijas reakcijas notiek atmosfēras ārējos reģionos. Reģionā no 30 līdz 90 km augstumā, ko mēra no zemes virsmas, stratosfērā ir slānis, kas galvenokārt satur ozonu (O ₃ ), ko sauc par ozona slāni.

Ozona slānis

Ozons absorbē augstas enerģijas ultravioleto starojumu, kas nāk no saules, un, ja nebūtu šī slāņa, tad neviena zināma dzīvības forma uz planētas nevarētu izdzīvot.

1995. gadā atmosfēras ķīmiķi Mario J. Molina (meksikāņi), Frenks S. Rovenlands (amerikānis) un Pols Krutzens (holandieši) ieguva Nobela prēmiju ķīmijā par pētījumiem par ozona iznīcināšanu un noārdīšanos stratosfērā.

2. attēls. Ozona slāņa noārdīšanās shēma. No vietnes nasa.gov

1970. gadā Krutsens parādīja, ka slāpekļa oksīdi katalītisko ķīmisko reakciju rezultātā iznīcina ozonu. Pēc tam Molina un Rowland 1974. gadā parādīja, ka hlora fluorogļūdeņraža savienojumos (CFC) esošais hlors spēj iznīcināt arī ozona slāni.

-Troposfēra

Atmosfēras slānis netālu no zemes virsmas, no 0 līdz 12 km augsts, ko sauc par troposfēru, galvenokārt sastāv no slāpekļa (N ₂ ) un skābekļa (O ₂ ).

Toksiskas gāzes

Cilvēka darbības rezultātā troposfērā ir daudz papildu ķīmisku vielu, ko uzskata par gaisa piesārņotājiem, piemēram:

• Oglekļa dioksīds un monoksīds (CO ₂ un CO).
• Metāns (CH ₄ ).
• Slāpekļa oksīds (NO).
• Sēra dioksīds (SO ₂ ).
• Ozons O ₃ (uzskatāms par piesārņotāju troposfērā)
• Gaistošie organiskie savienojumi (GOS), pulveri vai cietās daļiņas.

Starp daudzām citām vielām, kas ietekmē cilvēku, augu un dzīvnieku veselību.

Skābais lietus

Sēra oksīdi (SO ₂ un SO ₃ ) un slāpekļa oksīdi, piemēram, slāpekļa oksīds (NO ₂ ), rada vēl vienu vides problēmu, ko sauc par skābo lietu.

Šie oksīdi, kas atrodas troposfērā galvenokārt kā fosilā kurināmā sadedzināšanas produkti rūpnieciskās darbībās un transportēšanā, reaģē ar lietus ūdeni, veidojot sērskābi un slāpekļskābi, no kā izriet skābes nokrišņi.

3. attēls. Skāba lietus shēma. Avots: Alfredsito94, no Wikimedia Commons

Nokrišņi, kas satur spēcīgas skābes saturošu lietus, izraisa vairākas vides problēmas, piemēram, jūru un saldūdeņu paskābināšanos. Tas izraisa ūdens organismu nāvi; augsnes paskābināšanās, kas izraisa kultūru bojāeju un ēku, tiltu un pieminekļu iznīcināšanu ar kodīgu ķīmisku iedarbību.

Citas atmosfēras vides problēmas ir fotoķīmiskais smogs, ko galvenokārt izraisa slāpekļa oksīdi un troposfēras ozons.

Globālā sasilšana

Globālo sasilšanu rada augsta atmosfēras CO ₂ un citu siltumnīcefekta gāzu (SEG) koncentrācija, kas absorbē lielu daļu Zemes virsmas izstarotā infrasarkanā starojuma un ieslodzījuma siltumu troposfērā. Tas rada klimata izmaiņas uz planētas.

Hidrosfēras vides ķīmija

Hidrosfēru veido visi Zemes ūdenstilpnes: virszemes vai mitrāji - okeāni, ezeri, upes, avoti - un pazemes vai ūdens nesējslāņi.

-Svaigs ūdens

Ūdens ir visizplatītākā šķidrā viela uz planētas, tas aptver 75% no zemes virsmas un ir absolūti nepieciešams dzīvībai.

Visas dzīvības formas ir atkarīgas no saldūdens (definēts kā ūdens ar sāls saturu mazāk nekā 0,01%). 97% no planētas ūdens ir sālsūdens.

No atlikušajiem 3% saldūdens 87% ir:

• Zemes stabi (kuri globālās sasilšanas dēļ kūst un ielej jūrās).
• Ledāji (arī pazušanas procesā).
• Gruntsūdeņi.
• Ūdens tvaika formā, kas atrodas atmosfērā.

Tikai 0,4% no visas planētas saldūdens ir pieejami patēriņam. Ūdens iztvaikošana no okeāniem un lietus nokrišņi nepārtraukti nodrošina šo mazo procentuālo daudzumu.

Ūdens vides ķīmija pēta ķīmiskos procesus, kas notiek ūdens ciklā vai hidroloģiskajā ciklā, kā arī izstrādā tehnoloģijas cilvēku patēriņa ūdens attīrīšanai, rūpniecisko un pilsētas notekūdeņu attīrīšanai, jūras ūdens atsāļošanai, pārstrādei un šī resursa taupīšana, cita starpā.

-Ūdens cikls

Ūdens cikls uz Zemes sastāv no trim galvenajiem procesiem: iztvaikošanas, kondensācijas un nokrišņiem, no kuriem iegūst trīs ķēdes:

1. Virszemes notece
2. Augu iztvaikošana
3. Infiltrācija, kurā ūdens nokļūst pazemes līmeņos (phreatic), cirkulē pa ūdens nesējslāņa kanāliem un iziet caur avotiem, strūklakām vai akām.

4. attēls. Ūdens cikls. Avots: Wasserkreislauf.png: no: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

-Antropoloģiska ietekme uz ūdens ciklu

Cilvēka darbība ietekmē ūdens ciklu; daži antropoloģiskās darbības cēloņi un sekas ir šādi:

Zemes virsmas modifikācija

To rada mežu un lauku iznīcināšana ar mežu izciršanu. Tas ietekmē ūdens ciklu, novēršot iztvaikošanu (augu uzņemto ūdeni un atgriešanos vidē ar svīšanu un iztvaikošanu) un palielinot noteci.

Virszemes noteces palielināšanās palielina upju un plūdu plūsmu.

Urbanizācija arī maina zemes virsmu un ietekmē ūdens ciklu, jo poraino augsni aizstāj ar necaurlaidīgu cementu un asfaltu, kas padara infiltrāciju neiespējamu.

Ūdens cikla piesārņojums

Ūdens cikls ietver visu biosfēru, un tādējādi cilvēku radītie atkritumi šajā ciklā tiek iesaistīti dažādos procesos.

Gaisā esošie ķīmiskie piesārņotāji nokļūst lietū. Agroķīmiskās vielas, ko iestrādā augsnē, cieš no izskalojumiem un infiltrācijas ūdens nesējslāņos vai izplūst upēs, ezeros un jūrās.

Arī tauku un eļļu atkritumi un sanitāro atkritumu poligonu izskalojumi tiek infiltrēti gruntsūdeņos.

Ūdens krājumu ieguve ar overdraftu ūdens resursos

Šīs overdrafta metodes samazina gruntsūdeņu un virszemes ūdens rezervju samazināšanos, ietekmē ekosistēmas un rada vietēju grunts iegrimšanu.

Augsnes vides ķīmija

Augsnes ir viens no vissvarīgākajiem biosfēras līdzsvara faktoriem. Tie nodrošina stiprinājumu, ūdeni un barības vielas augiem, kas ir sauszemes trofisko ķēžu ražotāji.

Augsne

Augsni var definēt kā sarežģītu un dinamisku trīs fāžu ekosistēmu: cietā fāze ar minerālu un organisko nesēju, ūdens šķidrā fāze un gāzveida fāze; ko raksturo īpaša fauna un flora (baktērijas, sēnītes, vīrusi, augi, kukaiņi, nematodes, vienšūņi).

Augsnes īpašības pastāvīgi maina vides apstākļi un bioloģiskā aktivitāte, kas tajā attīstās.

Antropoloģiskā ietekme uz augsni

Augsnes degradācija ir process, kas samazina augsnes produktīvo spēju un spēj izraisīt dziļas un negatīvas izmaiņas ekosistēmā.

Faktori, kas izraisa augsnes degradāciju, ir: klimats, fiziogrāfija, litoloģija, veģetācija un cilvēku darbība.

5. attēls. Noārdīta augsne. Avots: pexels.com

Ar cilvēku rīcību var notikt:

• Augsnes fiziska degradācija (piemēram, sablīvēšanās no nepareizas lauksaimniecības un lopkopības prakses).
• Augsnes ķīmiskā noārdīšanās (paskābināšana, sārmošana, sāls veidošanās, piesārņošana ar agroķīmiskajām vielām, ar rūpnieciskās un pilsētas darbības notekūdeņiem, naftas noplūdi, cita starpā).
• Augsnes bioloģiskā noārdīšanās (organisko vielu satura samazināšanās, veģetācijas segas pasliktināšanās, slāpekli fiksējošo mikroorganismu zudums, cita starpā).

Ķīmiskās un vides attiecības

Vides ķīmija pēta dažādus ķīmiskos procesus, kas notiek trīs vides sektoros: atmosfērā, hidrosfērā un augsnē. Interesanti ir pārskatīt papildu pieeju vienkāršam ķīmiskam modelim, kas mēģina izskaidrot matērijas globālo pārnesi, kas notiek vidē.

-Modelis Garrelss un Lermans

Garrels un Lerman (1981) izstrādāja vienkāršotu Zemes virsmas bioģīmisko modeli, kas pēta atmosfēras, hidrosfēras, zemes garozas un iekļauto biosfēras nodalījumu mijiedarbību.

Garrelsa un Lermana modelī tiek apskatīti septiņi galvenie planētas minerāli:

1. Ģipsis (CaSO ₄ )
2. Pirīts (FeS ₂ )
3. Kalcija karbonāts (CaCO ₃ )
4. Magnija karbonāts (MgCO ₃ )
5. Magnija silikāts (MgSiO ₃ )
6. Dzelzs oksīds (Fe ₂ O ₃ )
7. Silīcija dioksīds (SiO ₂ )

Biosfēras organiskās vielas (gan dzīvās, gan mirušās) tiek attēlotas kā CH ₂ O, kas ir aptuvenais dzīvo audu stehiometriskais sastāvs.

Garrelsa un Lermana modelī ģeoloģiskās izmaiņas tiek pētītas kā vielas tīrā pārnešana starp šiem astoņiem planētas komponentiem, izmantojot ķīmiskās reakcijas un tīro masas saglabāšanās līdzsvaru.

CO uzkrāšanās

Piemēram, šajā modelī tiek pētīta CO ₂ uzkrāšanās problēma atmosfērā, sakot, ka: pašlaik mēs sadedzinām biosfērā uzkrāto organisko oglekli kā ogles, naftu un dabas gāzi, kas ģeoloģiskos laikos ir atradusies zemes dzīlēs .

Šīs intensīvās fosilā kurināmā dedzināšanas rezultātā atmosfēras CO ₂ koncentrācija palielinās.

CO ₂ koncentrācijas palielināšanās Zemes atmosfērā ir saistīta ar faktu, ka fosilā oglekļa sadegšanas ātrums pārsniedz oglekļa absorbcijas ātrumu no citiem Zemes bioģeoķīmiskās sistēmas komponentiem (piemēram, fotosintētiskajiem organismiem un piemēram, hidrosfēra).

Tādā veidā CO ₂ emisija atmosfērā cilvēka darbības dēļ pārsniedz normatīvo sistēmu, kas modulē izmaiņas uz Zemes.

Biosfēras lielums

Garrela un Lermana izstrādātais modelis arī uzskata, ka biosfēras lielums palielinās un samazinās, pateicoties līdzsvaram starp fotosintēzi un elpošanu.

Dzīves uz Zemes vēstures laikā biosfēras masa palielinājās posmos ar augstu fotosintēzes ātrumu. Tā rezultātā tika uzkrāta organiskā oglekļa un skābekļa emisija:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Respirācija kā mikroorganismu un augstāku dzīvnieku metabolisma aktivitāte organisko ogli pārvērš atpakaļ oglekļa dioksīdā (CO ₂ ) un ūdenī (H ₂ O), tas ir, apvērš iepriekšējo ķīmisko reakciju.

Ūdens klātbūtne, organiskā oglekļa uzkrāšana un molekulārā skābekļa ražošana ir dzīvības pastāvēšanas pamatelementi.

Vides ķīmijas pielietojumi

Vides ķīmija piedāvā risinājumus cilvēku darbības radītā kaitējuma videi novēršanai, mazināšanai un atlīdzināšanai. Starp dažiem no šiem risinājumiem mēs varam minēt:

• Jaunu materiālu ar nosaukumu MOF's (Metal Organic Framework) dizains. Tie ir ļoti poraini un spēj: absorbēt un noturēt CO ₂ , iegūt H ₂ O no gaisa tvaikiem tuksneša zonās un H ₂ uzglabāt mazos traukos.
• Atkritumu pārvēršana izejvielās. Piemēram, nodilušu riepu izmantošana mākslīgās zāles vai apavu zoles ražošanā. Arī kultūraugu atzarošanas atkritumu izmantošana biogāzes vai bioetanola ražošanā.
• CFC aizvietotāju ķīmiskās sintēzes.
• Alternatīvas enerģijas, piemēram, ūdeņraža elementu, attīstība nepiesārņojošas elektroenerģijas ražošanai.
• Atmosfēras piesārņojuma kontrole ar inertajiem un reaktīvajiem filtriem.
• Jūras ūdens atsāļošana ar reversās osmozes palīdzību.
• Jaunu materiālu izstrāde ūdenī suspendēto koloidālo vielu flokulēšanai (attīrīšanas process).
• Ezera eitrofikācijas maiņa.
• "Zaļās ķīmijas" attīstība, tendence, kas ierosina toksiskos ķīmiskos savienojumus aizstāt ar mazāk toksiskiem, un "videi draudzīgas" ķīmiskās procedūras. Piemēram, to izmanto mazāk toksisku šķīdinātāju un izejvielu izmantošanā rūpniecībā, cita starpā veļas mazgāšanā.

Atsauces

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J. un Cantrell, CA (1985). Skābju veidošanās ķīmiskie mehānismi troposfērā. Daba, 317 (6032), 27.-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Slāpekļa oksīdu ietekme uz atmosfēras saturu. QJR Metheorol. Soc. Vileija-Bellela. 96: 320-325.
3. Garrels, RM un Lerman, A. (1981). Nogulumiežu oglekļa un sēra pianozozo cikli. Dabaszinātņu akadēmijas materiāli. ASV 78: 4,652-4,656.
4. Hesters, RE un Harisons, RM (2002). Globālās vides izmaiņas. Karaliskā ķīmijas biedrība. 205. lpp.
5. Hites, RA (2007). Vides ķīmijas elementi. Vileja-starpziņa. 215. lpp.
6. Manahana, SE (2000). Vides ķīmija. Septītais izdevums. CRC. 876. lpp
7. Molina, MJ un Rowland, FS (1974). Stratosfēras izlietne hlorfluormetāniem: hlora atomu katalizēta ozona iznīcināšana. Daba. 249: 810-812.
8. Morel, FM un Hering, JM (2000). Ūdens ķīmijas principi un pielietojums. Ņujorka: Džons Vilijs.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. un Goliff, WS (2011). Pārskats par troposfēras atmosfēras ķīmiju un gāzes fāzes ķīmiskajiem mehānismiem gaisa kvalitātes modelēšanai. Atmosfēra, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001