ХЕМИЈА ЖИВОТНЕ СРЕДИНЕ: ОБЛАСТ ПРОУЧАВАЊА И ПРИМЕНА - ЖИВОТНА СРЕДИНА - 2025

Хемија животне средине проучава хемијске процесе који се одвијају на нивоу заштите животне средине. То је наука која примењује хемијске принципе за проучавање перформанси у животној средини и утицаја које генеришу људске активности.

Поред тога, хемија животне средине дизајнира технике спречавања, ублажавања и санације постојећих штета по животну средину.

Слика 1. Дијаграм земаљске атмосфере, хидросфере, литосфере и биосфере. Извор: Бојана Петровић, из Викимедиа Цоммонс

Хемија животне средине може се поделити у три основне дисциплине које су:

1. Еколошка хемија атмосфере.
2. Еколошка хемија хидросфере.
3. Хемија околиша тла.

Свеобухватни приступ хемији животне средине додатно захтева проучавање међусобних веза између хемијских процеса који се одвијају у ова три одељка (атмосфера, хидросфера, тло) и њихових односа са биосфером.

Еколошка хемија атмосфере

Атмосфера је слој гасова који окружује Земљу; он представља врло сложен систем где температура, притисак и хемијски састав варирају са надморском висином у веома широким опсезима.

Сунце бомбардује атмосферу зрачењем и честицама високе енергије; ова чињеница има веома значајне хемијске ефекте у свим слојевима атмосфере, а нарочито у горњим и спољашњим слојевима.

-Стратосфера

Реакције фотоодисцијације и фотојонизације јављају се у вањским областима атмосфере. У региону висине између 30 и 90 км мерено од земљине површине, у стратосфери, постоји слој који углавном садржи озон (О ₃ ), назван озонски омотач.

Озонски омотач

Озон апсорбује високоенергетско ултраљубичасто зрачење које долази од сунца и да није било овог слоја, ниједан познати облик живота на планети не би могао да опстане.

1995., хемичари атмосфере Марио Ј. Молина (Мексиканац), Франк С. Ровланд (Американац) и Паул Црутзен (Холанђанин), освојили су Нобелову награду за хемију за своје истраживање уништења и исцрпљивања озона у стратосфери.

Слика 2. Шема исцрпљивања озонског омотача. Фром наса.гов

1970. године Црутзен је показао да азотни оксиди уништавају озон каталитичким хемијским реакцијама. После тога су Молина и Ровланд 1974. Показали да хлор у једињењима хлоро-флуоро-угљеника (ЦФЦ) такође може да уништи озонски омотач.

-Троспосфера

Атмосферска слој код земљине површине, између 0 и 12 км Големите, назван тропосфера, углавном састоји од азота (Н ₂ ) и кисеоника (О ₂ ).

Токсични гасови

Као резултат људских активности, тропосфера садржи много додатних хемикалија које се сматрају загађивачима ваздуха, као што су:

• Угљен диоксид и моноксид (ЦО ₂ и ЦО).
• Метан (ЦХ ₄ ).
• Азот оксид (НО).
• Сумпор диоксид (СО ₂ ).
• Озон О ₃ (сматра се загађивачем у тропосфери)
• Испарљива органска једињења (ВОЦ), прашкови или чврсте честице.

Међу многим другим супстанцама, које утичу на здравље људи и биљака и животиња.

Кисела киша

Сумпорни оксиди (СО ₂ и СО ₃ ) и азотни оксиди, као што је азотни оксид (НО ₂ ) изазивају још један еколошки проблем који се назива кисела киша.

Ови оксиди, који су присутни у тропосфери углавном као производи сагоревања фосилних горива у индустријским активностима и транспорту, реагују са кишницом која ствара сумпорну и азотну киселину, са последичним таложењем киселине.

Слика 3. Шема киселе кише. Извор: Алфредсито94, из Викимедиа Цоммонс

Таложење ове кише која садржи јаке киселине покреће неколико проблема у животној средини, попут закисељавања мора и слатких вода. То изазива смрт водених организама; закисељавање тла које изазива смрт усјева и уништавање корозивним хемијским деловањем зграда, мостова и споменика.

Остали проблеми са атмосферском околином су фотохемијски смог, који је углавном узрокован азотним оксидима и тропосферским озоном.

Глобално загревање

Глобално загревање произведено је високим концентрацијама атмосферског ЦО ₂ и других гасова са ефектом стаклене баште (ГХГ), који апсорбују већи део инфрацрвеног зрачења које емитује Земљина површина и заробљавају топлоту у тропосфери. Ово генерише климатске промене на планети.

Еколошка хемија хидросфере

Хидросферу чине сва водна тијела на Земљи: површинска или мочварна подручја - океани, језера, ријеке, извори - и подземни или водоносници.

-Свежа вода

Вода је најчешћа течна супстанца на планети, прекрива 75% земљине површине и апсолутно је неопходна за живот.

Сви облици живота зависе од слатке воде (дефинисане као вода са садржајем соли мањом од 0,01%). 97% воде на планети је слана вода.

Од преосталих 3% слатке воде, 87% је у:

• Стубови Земље (који се топе и изливају у мора због глобалног загревања).
• Глечери (такође у процесу нестанка).
• Подземне воде.
• Вода у облику паре присутне у атмосфери.

Само 0,4% укупне свеже воде планете доступно је за потрошњу. Испаравање воде из океана и падавине кише континуирано обезбеђују тај мали проценат.

Хемија воде у животној средини проучава хемијске процесе који се дешавају у воденом или хидролошком циклусу, а такође развија и технологије за прочишћавање воде за људску употребу, третман индустријских и градских отпадних вода, десалинизацију морске воде, рециклирање и штедећи овај ресурс, између осталог.

-Водени циклус

Водени циклус на Земљи састоји се од три главна процеса: испаравања, кондензације и падавина из којих се изводе три круга:

1. Клизиште
2. Евапотранспирација биљака
3. Инфилтрација, у којој вода прелази у подземне нивое (пхреатиц), циркулише водоносним каналима и излази кроз изворе, фонтане или бунаре.

Слика 4. Водени циклус. Извор: Вассеркреислауф.пнг: од: Бенутзер: Јоооодеривативни рад: моиого, виа Викимедиа Цоммонс

- Антрополошки утицаји на водени циклус

Људска активност има утицаја на водени циклус; неки од узрока и последица антрополошког деловања су следећи:

Измена површине земљишта

Настаје уништавањем шума и поља са крчењем шума. То утиче на водени циклус уклањањем евапотранспирације (унос воде биљкама и враћање у околину знојењем и испаравањем) и повећањем отјецања.

Повећање површинског отјецања повећава проток ријека и поплава.

Урбанизација такође модификује површину земљишта и утиче на водени циклус, јер је порозно тло замењено непропусним цементом и асфалтом, што онемогућава инфилтрацију.

Загађивање воденог циклуса

Водени круг укључује целу биосферу, а самим тим и отпад који ствара човек укључује у овај циклус различитим процесима.

Хемијски загађивачи у ваздуху су укључени у кишу. Агрохемикалије које се примењују на тло, трпе излучивање и инфилтрацију водоносника, или истјечу у ријеке, језера и мора.

Такође отпад масти и уља и испирање санитарних одлагалишта одвозе се инфилтрацијом у подземне воде.

Вађење залиха воде с прекорачењем у водним ресурсима

Ове праксе прекорачења воде узрокују исцрпљивање резерви подземних и површинских вода, утичу на екосистеме и производе локално испадање тла.

Хемија околиша тла

Тла су један од најважнијих фактора у равнотежи биосфере. Омогућавају сидриште, воду и храњиве састојке биљкама које су произвођачи у земаљским трофичким ланцима.

Тло

Тло се може дефинисати као сложен и динамичан екосистем три фазе: чврста фаза са минералним и органским подлогама, водена течна фаза и гасовита фаза; карактеристично по томе што имају одређену фауну и флору (бактерије, гљивице, вируси, биљке, инсекти, нематоде, протозое).

Својства тла се стално мијењају услови животне средине и биолошка активност која се у њему развија.

Антрополошки утицаји на тло

Деградација тла је процес који смањује производни капацитет тла, способан да произведе дубоке и негативне промјене у екосистему.

Фактори који производе деградацију тла су: клима, физиографија, литологија, вегетација и људско дјеловање.

Слика 5. Деградирано тло. Извор: пекелс.цом

До људског деловања може доћи:

• Физичка деградација тла (на пример, сабијање услед неправилног узгоја и обраштања).
• Хемијска деградација тла (закисељавање, алкализација, заслањивање, контаминација агрохемикалијама, отпадним водама из индустријских и градских активности, просипање нафте, између осталог).
• Биолошка деградација тла (смањење садржаја органске материје, деградација вегетацијског покрова, губитак душичних микроорганизама, између осталог).

Однос хемика - животна средина

Хемија животне средине проучава различите хемијске процесе који се одвијају у три дела околине: атмосфера, хидросфера и тло. Занимљиво је прегледати додатни приступ једноставног хемијског модела који покушава да објасни глобалне преносе материје која се дешавају у животној средини.

-Модел Гаррелс и Лерман

Гаррелс и Лерман (1981) развили су поједностављени модел биогеохемије Земљине површине, који проучава интеракције између атмосфере, хидросфере, земљине коре и укључених преграда биосфере.

Модел Гаррелс и Лерман разматра седам главних саставних минерала планете:

1. Гипс (ЦаСО ₄ )
2. Пирит (ФеС ₂ )
3. Калцијум карбонат (ЦаЦО ₃ )
4. Магнезијум карбонат (МгЦО ₃ )
5. Магнезијум силикат (МгСиО ₃ )
6. Оксид оксида (Фе ₂ О ₃ )
7. Силицијум диоксид (СиО ₂ )

Конститутивна органска супстанца биосфере (и живих и мртвих), је представљен као ЦХ ₂ О, што је приближно стехиометријска састав живих ткива.

У моделу Гаррелс и Лерман геолошке промене се проучавају као нето преноси материје између ових осам компоненти планете, кроз хемијске реакције и нето равнотежу очувања масе.

Акумулација ЦО

На пример, проблем акумулације ЦО ₂ у атмосфери проучава се у овом моделу, рекавши да: тренутно сагоревамо органски угљен који се складишти у биосфери као угљен, нафта и природни гас који се депонују у подземљу током геолошких времена прошлих .

Као резултат овог интензивног сагоревања фосилних горива, концентрација атмосферског ЦО ₂ расте.

Повећање концентрације ЦО ₂ у Земљиној атмосфери је због чињенице да стопа сагоревања фосилних угљеника премашује стопу апсорпције угљеника од стране других компоненти Земљиног биогеохемијског система (као што су фотосинтетски организми и хидросфера, на пример).

На овај начин, емисија ЦО ₂ у атмосферу услед људских активности надмашује регулаторни систем који модулира промене на Земљи.

Величина биосфере

Модел који су развили Гаррелс и Лерман такође сматра да се величина биосфере повећава и смањује као резултат равнотеже између фотосинтезе и дисања.

Током историје живота на Земљи, маса биосфере се повећавала у фазама са високом стопом фотосинтезе. То је резултирало нето складиштењем органског угљеника и емисијом кисеоника:

ЦО ₂ + Х ₂ О → ЦХ ₂ О + О ₂

Респирација као метаболичке активности микроорганизама и виших животиња, претвара органски угљеник леђа у угљен диоксид (ЦО ₂ ) и воде (Х ₂ О), то јест, поништава претходни хемијску реакцију.

Присуство воде, складиштење органског угљеника и производња молекуларног кисеоника су основни за живот живота.

Примене хемијске средине у окружењу

Хемија животне средине нуди решења за спречавање, ублажавање и санирање штете по животну средину насталу људском активношћу. Међу неким од ових решења можемо поменути:

• Дизајн нових материјала под називом МОФ (за акроним на енглеском: Метал Органиц Фрамеворкс). Ово су веома порозни и имају способност: апсорбује и задржава ЦО ₂ , добије Х ₂ О из ваздуха паре у пустињским областима и продавници Х ₂ у малим контејнерима.
• Конверзија отпада у сировине. На пример, употреба истрошених гума у ​​производњи вештачке траве или ципела. Такође употреба отпада од резидбе усјева, за производњу биоплина или биоетанола.
• Хемијске синтезе супституираних ЦФЦ.
• Развој алтернативних енергија, као што су водоничне ћелије, за производњу електричне енергије без загађења.
• Контрола загађења атмосфере, помоћу инертних филтера и реактивних филтера.
• Десалинација морске воде реверзном осмозом.
• Развој нових материјала за флокулацију колоидних супстанци суспендованих у води (процес пречишћавања).
• Преокрет еутрофикације језера.
• Развој „зелене хемије“, тренда који предлаже замену токсичних хемијских једињења мање токсичним, и „еколошки прихватљивих“ хемијских поступака. На пример, примењује се у употреби мање токсичних растварача и сировина, у индустрији, у хемијском чишћењу праоница, између осталог.

Референце

1. Цалверт, ЈГ, Лазрус, А., Кок, ГЛ, Хеикес, БГ, Валега, ЈГ, Линд, Ј. и Цантрелл, ЦА (1985). Хемијски механизми стварања киселина у тропосфери. Природа, 317 (6032), 27-35. дои: 10.1038 / 317027а0.
2. Црутзен, ПЈ (1970). Утицај азотних оксида на садржај атмосфере. КЈР Метхеорол. Соц. Вилеи-Блацквелл. 96: 320-325.
3. Гаррелс, РМ и Лерман, А. (1981). Фанерозојски циклуси седиментног угљеника и сумпора. Зборник Природне академије наука. УСА 78: 4,652-4,656.
4. Хестер, РЕ и Харрисон, РМ (2002). Глобалне промене животне средине. Краљевско хемијско друштво. стр. 205.
5. Хитес, РА (2007). Елементи хемије животне средине. Вилеи-Интерсциенце. пп 215.
6. Манахан, СЕ (2000). Хемија животне средине. Седмо издање. ЦРЦ. пп 876
7. Молина, МЈ и Ровланд, ФС (1974). Стратосферски судопер за хлорофлуорометана: Разарање озона, катализирано атомом хлора. Природа. 249: 810-812.
8. Морел, ФМ и Херинг, ЈМ (2000). Принципи и примене водене хемије. Нев Иорк: Јохн Вилеи
9. Стоцквелл, ВР, Лавсон, ЦВ, Саундерс, Е. и Голифф, ВС (2011). Преглед тропосферске хемике атмосфере и хемијских механизама у фази фазе за моделирање квалитета ваздуха. Атмосфера, 3 (1), 1–32. дои: 10,3390 / атмос3010001