Bidang bidang kajian kimia dan aplikasi

The kimia persekitaran Ia mengkaji proses kimia yang berlaku di peringkat alam sekitar. Ia adalah sains yang menggunakan prinsip kimia untuk mengkaji prestasi alam sekitar dan kesan yang dihasilkan oleh aktiviti manusia.

Di samping itu, reka bentuk kimia alam sekitar mencipta pencegahan, teknik pengurangan dan pemulihan untuk kerosakan alam sekitar yang sedia ada.

Kimia alam sekitar boleh dibahagikan kepada tiga disiplin asas iaitu:

1. Kimia persekitaran atmosfera.
2. Kimia alam sekitar hidrosfera.
3. Kimia tanah persekitaran.

Pendekatan komprehensif terhadap kimia alam sekitar juga memerlukan kajian tentang hubungan antara proses kimia yang berlaku dalam ketiga-tiga ruang (atmosfera, hidrosfera, tanah) dan hubungannya dengan biosfera.

Indeks

• 1 Kimia alam sekitar atmosfera
  • 1.1 -Statosfera
  • 1.2 -Troposfera
• 2 Kimia alam sekitar hidrosfera
  • 2.1 - Air tawar
  • 2.2 - Kitaran air
  • 2.3 - Impak antropologi pada kitaran air
• 3 Kimia tanah persekitaran
  • 3.1 Tanah
  • 3.2 Impak antropologi pada tanah
• 4 Hubungan persekitaran kimia
  • 4.1-Garrels Moden dan Lerman
• 5 Aplikasi kimia alam sekitar
• 6 Rujukan

Kimia persekitaran atmosfera

Atmosfer adalah lapisan gas yang mengelilingi Bumi; ia adalah sistem yang sangat kompleks, di mana suhu, tekanan dan komposisi kimia berbeza dengan ketinggian dalam julat yang sangat luas.

Matahari mengebom atmosfera dengan radiasi dan zarah tenaga tinggi; fakta ini mempunyai kesan kimia yang sangat penting dalam semua lapisan atmosfera, tetapi khususnya, dalam lapisan-lapisan tertinggi dan luar.

-Stratosfera

Reaksi photodissociation dan photoionization berlaku di kawasan luar atmosfera. Di rantau ini antara ketinggian 30 dan 90 km diukur dari permukaan bumi, di stratosfera, lapisan yang mengandungi kebanyakannya ozon terletak (OR₃), dipanggil lapisan ozon.

Lapisan ozon

Ozon menyerap sinaran ultraungu tenaga tinggi yang berasal dari matahari dan jika tidak kerana kewujudan lapisan ini, cara hidup yang tidak diketahui di planet ini, boleh hidup.

Pada tahun 1995, Mario J. Molina bahan kimia atmosfera (Mexico), Frank S. Rowland (AS) dan Paul Crutzen (Dutch), memenangi Hadiah Nobel dalam Kimia untuk kajian beliau kepada kemusnahan dan pengurangan ozon dalam stratosfera.

Pada tahun 1970 Crutzen menunjukkan bahawa nitrogen oksida memusnahkan ozon melalui tindak balas kimia pemangkin. Selanjutnya Molina dan Rowland pada tahun 1974, menunjukkan bahawa klorin sebatian chlorofluorokarbon (CFC), juga mampu memusnahkan lapisan ozon.

-Troposphere

Lapisan atmosfera di atas permukaan bumi, antara 0 dan 12 km tinggi, yang dipanggil troposfera, terdiri daripada nitrogen (N₂) dan oksigen (O₂).

Gas toksik

Hasil daripada aktiviti manusia, troposfera mengandungi banyak bahan kimia tambahan yang dianggap sebagai bahan cemar udara, seperti:

• Dioksida dan karbon monoksida (CO₂ dan CO).
• Methane (CH₄).
• Nitrogen oksida (NO).
• Sulfur dioksida (SO)₂).
• Ozone O₃ (dianggap sebagai bahan cemar di troposfera)
• Sebatian organik meruap (VOC), serbuk atau zarah pepejal.

Antara bahan-bahan lain yang memberi kesan kepada kesihatan manusia dan tumbuhan dan haiwan.

Hujan asid

Sulfur oksida (SO₂ dan SO₃) dan nitrogen seperti nitrous oksida (NO₂), menyebabkan masalah alam sekitar lain dipanggil hujan asid.

Ini oksida, terutamanya di dalam troposfera sebagai hasil pembakaran bahan api fosil dalam industri dan pengangkutan bertindak balas dengan air hujan untuk menghasilkan asid sulfurik dan asid nitrik, asid hujan berbangkit.

Dengan merangsang hujan ini yang mengandungi asid kuat, ia mencetuskan beberapa masalah alam sekitar seperti pengasidan laut dan perairan segar. Ini menyebabkan kematian organisma akuatik; pengasidan tanah yang menyebabkan kematian tanaman dan kemusnahan oleh tindakan menghakis kimia bangunan, jambatan dan monumen.

Masalah persekitaran atmosfera yang lain adalah asap fotokimia, yang disebabkan terutamanya oleh oksida nitrogen dan ozon troposferik

Pemanasan global

Pemanasan global dihasilkan oleh kepekatan CO yang tinggi₂ gas atmosfera dan lain-lain rumah hijau (GHG), yang menyerap lebih sinaran inframerah yang dipancarkan oleh permukaan bumi dan memerangkap haba dalam troposfera. Ini menghasilkan perubahan iklim di planet ini.

Kimia alam sekitar hidrosfera

Hydrósfera ini disesuaikan dengan semua badan air Bumi: dangkal atau humedales - lautan, tasik, sungai, mata air - dan bawah tanah atau akuifer.

-Air tawar

Air adalah bahan cair yang paling biasa di planet ini, meliputi 75% permukaan bumi dan sangat penting untuk kehidupan.

Semua bentuk hidup bergantung kepada air tawar (ditakrifkan sebagai air dengan kandungan garam kurang dari 0.01%). 97% daripada air planet adalah air asin.

Daripada baki 3% air tawar, 87% berada di:

• Tiang-tiang Bumi (yang mencair dan mencurah ke laut kerana pemanasan global).
• Glasier (juga dalam proses menghilang).
• Air bawah tanah.
• Air dalam bentuk wap yang ada di atmosfera.

Hanya 0.4% daripada jumlah air segar di planet ini untuk kegunaan. Penguapan air dari lautan dan pemendakan hujan terus memberi peratusan kecil ini.

kimia air alam sekitar mengkaji proses kimia yang berlaku dalam kitaran air atau kitaran hidrologi dan juga membangunkan teknologi untuk pembersihan air untuk kegunaan manusia, rawatan air sisa industri dan bandar, penyahgaraman air laut, kitar semula dan menyimpan sumber ini, antara lain.

-Kitaran air

Kitaran air di Bumi terdiri daripada tiga proses utama: penyejatan, pemeluwapan dan pemendakan, dari mana tiga litar diperolehi:

1. Limpasan permukaan
2. Pembiakan tanaman
3. Penyusupan, di mana air itu melewati paras bawah tanah (air bawah tanah), beredar melalui saluran akuifer dan keluar melalui mata air, mata air atau telaga.

-Impak antropologi pada kitaran air

Aktiviti manusia mempunyai kesan ke atas kitaran air; Beberapa sebab dan kesan tindakan antropologi adalah seperti berikut:

Pengubahsuaian permukaan tanah

Ia dijana oleh pemusnahan hutan dan ladang dengan penebangan hutan. Ini memberi kesan kepada kitaran air dengan menghilangkan evapotranspirasi (mengambil air melalui tumbuhan dan kembali ke alam sekitar melalui transpirasi dan penyejatan) dan meningkatkan larian.

Peningkatan larian permukaan menyebabkan peningkatan aliran sungai dan banjir.

Perbandaran juga mengubah permukaan tanah dan memberi kesan kepada kitaran air, kerana tanah berliang digantikan oleh simen dan asfalt yang tidak dapat dibasuh, yang menjadikan penyusupan tidak mungkin.

Pencemaran kitaran air

Kitaran air melibatkan keseluruhan biosfera dan akibatnya, sampah yang dihasilkan oleh manusia, dimasukkan ke dalam kitaran ini oleh proses yang berlainan.

Bahan pencemar kimia di udara dimasukkan ke dalam hujan. Agrokimia digunakan untuk tanah, menderita lindi dan penyusupan kepada akuifer, atau larian ke dalam sungai, tasik dan laut.

Juga pembuangan lemak dan minyak dan larut resapan tanah, diseret oleh penyusupan ke air bawah tanah.

Pengekstrakan bekalan air dengan overdraf dalam sumber air

Amalan ini dengan overdraf, menghasilkan penipisan rizab air bawah tanah dan permukaan air, mempengaruhi ekosistem dan menghasilkan penenggelaman tanah tempatan.

Kimia tanah persekitaran

Tanah adalah salah satu faktor yang paling penting dalam keseimbangan biosfera. Mereka menyediakan pelabuhan, air dan nutrien kepada tumbuhan, yang merupakan pengeluar dalam rantaian trofi terestrial.

Lantai

Tanah boleh didefinisikan sebagai ekosistem kompleks dan dinamik tiga fasa: fasa pepejal mineral dan sokongan organik, fasa cair berair dan fasa gas; dicirikan dengan mempunyai fauna dan flora tertentu (bakteria, kulat, virus, tumbuhan, serangga, nematoda, protozoa).

Sifat-sifat tanah sentiasa berubah disebabkan keadaan persekitaran dan aktiviti biologi yang berkembang di dalamnya..

Impak antropologi di atas tanah

Degradasi tanah adalah proses yang mengurangkan kapasiti produktif tanah, yang mampu menghasilkan perubahan mendalam dan negatif dalam ekosistem.

Faktor-faktor yang menghasilkan degradasi tanah adalah: iklim, fisiografi, litologi, tumbuhan dan tindakan manusia.

Oleh tindakan manusia boleh berlaku:

• Degradasi fizikal tanah (contohnya, pemadatan akibat penanaman yang tidak mencukupi dan amalan ternakan).
• Degradasi kimia tanah (pengasidan, alkalinization, salinization, pencemaran dengan agrokimia, efluen dari aktiviti perindustrian dan bandar, tumpahan minyak, antara lain).
• Degradasi tanah biologi (pengurangan kandungan bahan organik, kemerosotan perlindungan tumbuh-tumbuhan, kehilangan mikroorganisma yang membetulkan nitrogen, antara lain).

Hubungan persekitaran kimia

Kimia alam sekitar mengkaji proses kimia yang berbeza yang berlaku dalam tiga petak alam sekitar: atmosfera, hidrosfera dan tanah. Adalah menarik untuk mengkaji semula fokus tambahan pada model kimia mudah, yang cuba menjelaskan pemindahan global bahan yang berlaku di alam sekitar.

-Model Garrels dan Lerman

Garrels dan Lerman (1981), membangunkan model dipermudahkan permukaan biogeokimia Bumi, yang mengkaji interaksi antara petak atmosfera, hidrosfera, kerak dan biosfera termasuk.

Model Garrels dan Lerman menganggap tujuh mineral juzuk utama planet:

1. Plaster (CaSO₄)
2. Pyrite (FeS₂)
3. Kalsium karbonat (CaCO₃)
4. Magnesium carbonate (MgCO₃)
5. Magnesium silikat (MgSiO₃)
6. Ferric oxide (Fe₂O₃)
7. Silikon dioksida (SiO)₂)

Perkara organik yang membentuk biosfera (hidup dan mati), diwakili sebagai CH₂Atau, yang merupakan susunan stoikiometri tisu hidup.

Dalam model Garrels dan Lerman, perubahan geologi dikaji sebagai pemindahan bersih bahan antara lapan komponen planet ini, melalui tindak balas kimia dan keseimbangan pemuliharaan massa bersih.

Pengumpulan CO₂ di atmosfera

Sebagai contoh, masalah pengumpulan CO₂ di atmosfer dipelajari dalam model ini, dengan mengatakan bahawa: pada masa ini kita membakar karbon organik yang disimpan di biosfera sebagai arang batu, minyak dan gas asli yang disimpan di bawah tanah di masa lalu geologi.

Hasil daripada pembakaran bahan api fosil intensif ini, kepekatan CO₂ atmosfera semakin meningkat.

Peningkatan kepekatan CO₂ dalam atmosfera daratan itu kerana kadar pembakaran karbon fosil melebihi kadar penyerapan karbon oleh komponen lain dari sistem biogeokimia bumi (seperti organisma fotosintesis dan hidrosfera).

Dengan cara ini, pelepasan CO₂ ke atmosfera disebabkan oleh aktiviti manusia, melepasi sistem pengawalseliaan yang memodulasi perubahan di Bumi.

Saiz biosfera

Model yang dibangunkan oleh Garrels dan Lerman, juga menganggap bahawa saiz biosfera meningkat dan berkurang akibat keseimbangan antara fotosintesis dan pernafasan.

Semasa sejarah hidup di Bumi, jisim biosfera meningkat secara berperingkat dengan kadar fotosintesis yang tinggi. Ini menghasilkan penyimpanan karbon karbon dan oksigen yang bersih:

CO₂    +   H₂O → CH₂O + O₂

Bernafas sebagai aktiviti metabolik mikroorganisma dan haiwan yang lebih tinggi, menukarkan karbon organik kembali ke dalam karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O), iaitu, membalikkan reaksi kimia terdahulu.

Kehadiran air, penyimpanan karbon organik dan pengeluaran oksigen molekul adalah asas untuk kewujudan kehidupan.

Aplikasi kimia alam sekitar

Kimia alam sekitar menawarkan penyelesaian untuk pencegahan, pengurangan dan pemulihan kerosakan alam sekitar yang disebabkan oleh aktiviti manusia. Antara beberapa penyelesaian ini, kita boleh menyebut:

• Reka bentuk bahan baru yang dipanggil MOF (untuk akronim dalam bahasa Inggeris: Rangka Kerja Organik Logam). Ini sangat berpori dan mempunyai keupayaan untuk: menyerap dan mengekalkan CO₂, dapatkan H₂Atau wap udara dari kawasan padang pasir dan simpan H₂ dalam bekas kecil.
• Penukaran bahan buangan ke dalam bahan mentah. Sebagai contoh, penggunaan tayar yang dipakai dalam pengeluaran rumput tiruan atau sol kasut. Juga penggunaan sisa pemangkasan tanaman, dalam penjanaan biogas atau bioethanol.
• Sintesis kimia pengganti CFC.
• Pembangunan tenaga alternatif, seperti sel hidrogen, untuk penjanaan elektrik bersih.
• Kawalan pencemaran atmosfera, dengan penapis lengai dan penapis reaktif.
• Penyahairan air laut oleh osmosis terbalik.
• Pengembangan bahan-bahan baru untuk pemberbukuan bahan koloid yang digantung dalam air (proses penyucian).
• Pemulihan eutrofikasi tasik.
• Perkembangan "kimia hijau", trend yang mencadangkan penggantian sebatian kimia toksik yang kurang toksik, dan prosedur kimia "mesra alam". Sebagai contoh, ia digunakan dalam penggunaan pelarut yang kurang toksik dan bahan mentah, dalam industri, dalam cucian kering cucian, antara lain..

Rujukan

1. Calvert, J.G., Lazrus, A., Kok, G.L., Heikes, B.G., Walega, J.G., Lind, J., dan Cantrell, C.A. (1985). Mekanisme kimia penjanaan asid di troposfera. Alam, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, P.J. (1970). Pengaruh oksida nitrogen pada kandungan atmosfera. Q.J.R. Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, R.M. dan Lerman, A. (1981). Kitaran phanerozoik karbon sedatif dan sulfur. Prosiding Akademi Sains Asli. U.S.A. 78: 4,652-4,656.
4. Hester, R. E. dan Harrison, R. M. (2002). Perubahan Alam Sekitar Global. Royal Society of Chemistry. ms 205.
5. Hites, R. A. (2007). Elemen Kimia Alam Sekitar. Wiley-Interscience. ms 215.
6. Manahan, S. E. (2000). Kimia Alam Sekitar. Edisi ketujuh. CRC pp 876
7. Molina, M.J. dan Rowland, F.S. (1974). Tenggelam stratosferik untuk chlorofluoromethanes: Kerosakan atom klorin-catalyzed ozon. Alam 249: 810-812.
8. Morel, F.M. dan Hering, J.M. (2000). Prinsip dan Aplikasi Kimia Akuatik. New York: John Wiley.
9. Stockwell, W. R., Lawson, C.V., Saunders, E., dan Goliff, W. S. (2011). Kajian Semula Kimia Atmosfera Kimia dan Gas-Fasa Kimia Kimia untuk Pemodelan Kualiti Udara. Suasana, 3 (1), 1-32. doi: 10.3390 / atmos3010001