Chimica ambientale LEZIONE 1 - remondini.net • La geosfera è composta dalla terra solida,...

Chimica dell'ambiente REACH & CLP

Chimica ambientale

Rita Giovannetti

La Scienza ambientale

La Scienza ambientale

• L’atmosfera è il sottile strato di gas che circonda la superficie terrestre.

• L’idrosfera contiene l’acqua terrestre.

• La geosfera è composta dalla terra solida, compreso il suolo che sostiene la vita della maggior parte delle piante.

• Tutti gli esseri viventi della terra compongono la biosfera .

Chimica dell’ambiente

• La chimica dell’ambiente• lo studio delle sorgenti, • delle reazioni, • del trasporto, • degli effetti • del destino delle specie chimiche in acqua, suolo e aria • degli effetti della tecnologia su di essi.

• la chimica dell’ambiente: interazioni tra acqua ,aria, terra, vita e tecnologia.

Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia

Acqua• Sostanza di importanza vitale in tutte le parti

dell'ambiente. • Copre il 70% circa della superficie della Terra. • Si trova in tutte le sfere dell'ambiente. • E’ parte essenziale di tutti i sistemi viventi ed è il

mezzo dal quale la vita si è evoluta e in cui esiste.

• L'energia e la materia sono trasportate dall'acqua.


Acqua• L'acqua scioglie i costituenti solubili dei

minerali e li trasporta • Trasporta il nutrimento per le piante dal suolo

all'interno di esse, attraverso le radici. • L'energia solare viene trasportata come calore

latente e rilasciata sulla terra emersa. • Il rilascio del calore latente fornisce l'energia

che trasporta il calore dalle regioni equatoriali verso i poli terrestri causando fortissime tempeste.

Acqua, aria, suolo, vita, tecnologiaAria ed atmosfera• L'atmosfera è un mantello protettivo che

alimenta la vita sulla Terra e la protegge dall'ambiente ostile dello spazio.

• è la sorgente di biossido di carbonio e di ossigeno

• fornisce l'azoto per i batteri fissatori• come parte fondamentale del ciclo idrologico,

trasporta l'acqua dagli oceani alla terra emersa• ha una funzione protettiva per la vita, • stabilizza la temperatura della Terra


II suolo

• Litosfera: mantello più esterno e dalla crosta

• è estremamente sottile, se paragonata al diametro terrestre, e varia tra i 5 e i 40 Km di spessore.

Acqua, aria, suolo, vita, tecnologiaII suolo…. la geologia è la scienza della

geosfera: • parte minerale della crosta terrestre. • l'acqua, coinvolta nella erosione delle rocce e

nella formazione dei minerali, l'atmosfera e il clima, che hanno profondi effetti

utilizza • la chimica per spiegare la natura e il

comportamento dei materiali geologici, • la fisica per spiegare il loro comportamento

meccanico • la biologia per spiegare le mutue interazioni tra

geosfera e biosfera.

Acqua, aria, suolo, vita, tecnologiaII suolo

• La tecnologia moderna ha una profonda influenza sulla geosfera.

• La parte più importante della geosfera, è il suolo • Sul suolo crescono le piante e, virtualmente, tutti

gli organismi terrestri dipendono da esso per la loro esistenza.

• La produttività del suolo è fortemente influenzata dalle condizioni ambientali e dagli eventuali inquinanti presenti.


La vita• La biologia è la scienza della vita. • Essa è basata sulle specie chimiche

sintetizzate biologicamente• è una componente chiave della scienza e

della chimica dell'ambiente.• per guardare alla biosfera dal punto di

vista delle popolazioni delle diverse specie

Acqua, aria, suolo, vita, tecnologiaLa vital'ecologia• è lo studio dei fattori ambientali che influiscono

sugli organismi e del modo in cui gli organismi interagiscono con questi fattori e tra di loro.

Ecosistema : • insieme degli organismi mutuamente interagenti

e dell'ambiente in cui vengono scambiati materiali in modo essenzialmente ciclico,

• possiede componenti fisiche, chimiche e biologiche, insieme a fonti energetiche e percorsi di scambio di energia e materiali.

Acqua, aria, suolo, vita, tecnologiaLa tecnologia• La tecnologia tratta dei modi in cui gli uomini

lavorano con i materiali e l'energia.

• usata per benessere e sopravvivenza. • è essenziale nello studio della scienza

dell'ambiente, a causa della sua enorme influenza su di esso.

• La sfida è adoperare la tecnologia tenendo conto dell'ambiente


La tecnologia• La tecnologia, applicata correttamente, può

risultare enormemente positiva per la salvaguardia dell'ambiente.

• La più scontata delle sue applicazioni è il controllo dell'inquinamento dell'acqua e dell'aria nella prevenzione nella formazione degli inquinanti.

• La tecnologia dovrà essere sempre più utilizzata per sviluppare processi altamente efficienti.

Energia e cicli energetici• I cicli biogeochimici, e virtualmente tutti i

processi che avvengono sulla Terra, sono azionati dall'energia proveniente dal sole.

• Il sole praticamente emette radiazioni come un corpo nero,

• trasmette energia alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica

• L'energia nei sistemi naturali viene trasferita come calore

• Questi trasferimenti sono governati dalle leggi della termodinamica.

Energia e cicli energetici

• La prima legge della termodinamica stabilisce che, anche se l'energia può essere trasferita o trasformata, essa viene conservata e non persa.

• La seconda legge della termodinamica descrive la tendenza al disordine nei sistemi naturali: ogni volta che l'energia viene trasformata, una parte viene dissipata

Energia e cicli energeticiLuce e radiazioni elettromagnetiche

• L'energia può essere trasportata attraverso lo spazio alla velocità della luce, come radiazione elettromagnetica

• Le radiazioni elettromagnetiche, in particolare la luce, sono di massima importanza nel considerare l'energia nei sistemi ambientali.

Energia e cicli energeticiLuce e radiazioni elettromagnetiche• La radiazione elettromagnetica ha un carattere

ondulatorio. • Le onde si muovono alla velocità della luce, e,

ed hanno lunghezza d'onda (λ), ampiezza, e frequenza (υ) caratteristiche.

• λ υ=c

Energia e cicli energeticiLuce e radiazioni elettromagnetiche• le radiazioni elettromagnetiche hanno anche

carattere di particelle : l'energia radiante può essere assorbita o emessa solo in pacchetti discreti chiamati quanti o fotoni.

• L'energia ogni fotone è data da: E = h υdove h è la costante di Planck, 6,63x10-34 Js (joule x secondi).

• l'energia di un fotone è tanto maggiore quanto maggiore è la frequenza dell'onda ad esso associata (e quanto minore è la lunghezza d'onda).

Energia e cicli energeticiFlusso di energia e fotosintesi nei sistemi

viventi• Mentre i materiali vengono riciclati attraverso gli

ecosistemi• il flusso di energia utile può essere visto

essenzialmente come un processo a senso unico.

• L'energia solare incidente può essere considerata come energia ad alta forza

Energia e cicli energeticiFlusso di energia e

fotosintesi nei sistemi viventi

• l'energia solare catturata dalle piante verdi stimola la clorofilla, che permette quei processi metabolici che producono i carboidrati da acqua e biossido di carbonio.

Assorbimento energia solare

Sole

Clorofilla energetica

Acqua

Trasferimento di energia attraverso ATP ad alta energia

Biossido di carbonio

Sintesi di carboidrati

Carboidrati CH 2O

Ossigeno O 2

Impatto umano e inquinamento

• L'inquinamento dell'ambiente può essere suddiviso in inquinamento dell'acqua, inquinamento dell'aria ed inquinamento del suolo.

• Queste tre aree sono tutte collegate tra loro. • Per esempio, alcuni gas immessi nell'atmosfera possono

essere convertiti in acidi forti attraverso processi chimici atmosferici, quindi ricadere sulla terra come piogge acide ed inquinare l'acqua abbassandone il pH.

• I rifiuti pericolosi, laddove impropriamente scaricati, possono permeare nell'acqua di falda, che può essere immessa come acqua inquinata nei fiumi.


• inquinante è quella di una sostanza presente in concentrazione maggiore rispetto a quella naturale, che ha un netto effetto dannoso sull'ambiente

• Le sostanze contaminanti, che non sono classificate come inquinanti a meno che non abbiano qualche effetto dannoso, comportano delle deviazioni dalla normale composizione dell'ambiente.

• Ogni inquinante ha origine da una sorgente. • La sorgente è particolarmente importante perché

generalmente è il luogo più logico per eliminare l'inquinamento.

• Dopo che un inquinante è stato rilasciato da una sorgente, esso può agire su di un recettore .


• Il recettore è qualsiasi cosa su cui l'inquinante ha effetto.

• se l'inquinante ha vita lunga, può essere immagazzinato in un sink (pozzo).

• un muro di calcare può essere un sink per l'acido solforico proveniente dall'atmosfera, a causa della reazione:

• CaCO3 + H2SO4 -> CaSO4 + H2O + CO2

Tecnologia: problemi e soluzioni• La moderna tecnologia ha fornito i mezzi per una

massiccia alterazione dell'ambiente e per il suo inquinamento.

• Tuttavia essa, applicata in modo intelligente ed unitamente ad una buona conoscenza delle problematiche dell'ambiente, può anche fornire i mezzi per trattare i problemi dell'inquinamento e della degradazione dell'ambiente.

Nonostante tutti i problemi che comporta, la tecnologia basata sulle solide fondamenta della scienza dell'ambiente può essere efficacemente utilizzata per risolvere i problemi dell'ambiente .

Minimizzare l’impatto ambientale• un generico processo di produzione con una accurata progettazione

in modo da minimizzare l’impatto ambientale

Processi produttivi

Prodotti e sottoprodotti utili.

Scarichi che possono richiedere trattamenti

Mezzi di reazione (acqua, solventi organici)

Catalizzatori

ReagentiContaminanti (impurezze)

Emissioni atmosferiche

Riciclo

Sottoprodotti recuperati

Acque di scarico Solidi e liquami

Minimizzare l’impatto ambientale

• Sistemi di controllo computerizzati • Uso di materiali che minimizzino i problemi di

inquinamento • Processi e materiali che consentano il massimo di

riciclaggio e minima produzione di sottoprodotti.• Trattamento biologico dei rifiuti.• Uso di migliori catalizzatori.

Cicli della materia

AntroposferaAntroposfera

AtmosferaAtmosfera

BiosferaBiosfera

GeosferaGeosfera IdrosferaIdrosfera

Ciclo generale che mostra lo scambio di materia tra atmosfera, Ciclo generale che mostra lo scambio di materia tra atmosfera, biosfera, biosfera, antroposferaantroposfera , , geosferageosferae idrosfera.e idrosfera.

Cicli della materia

Infiltrazione verso acqua sotterranea

Acqua sotterranea

Massa di neve, ghiaccio

Cicli della materiaScambio di materiali tra le possibili sfere dell'am biente

-MineraliAlimentiH2OO2, N2Antroposfera

Rifiuti pericolosi

Materiale organico

H2OH2OGeosfera

FertilizzantiNutrienti minerali

-H2OO2, CO2Biosfera

Inquinanti delle acque

Soluti minerali

{CH20}-H2OIdrosfera

SO2,CO2H2S, partic.02H2O-Atmosfera

AntroposferaGeosferaBiosfera IdrosferaAtmosferaDa A

Cicli endogeni ed esogeni

• Cicli endogeni: rocce del sottosuolo di vario tipo

• Cicli esogeni: sulla superficie della Terra con componenti dell'atmosfera.

• Sedimenti e suolo : equamente ripartiti tra i due cicli e costituiscono l'interfaccia principale tra essi.

Cicli endogeni ed esogeniAtmosferaAtmosfera

Roccia Roccia sedimentariasedimentaria

Roccia Roccia IgneaIgnea

MagmaMagma

BiosferaBiosfera

Roccia Roccia metamorficametamorfica

IdrosferaIdrosfera

SedimentiSedimenti

SuoloSuolo

Cicli endogeni ed esogeni

• Cicli biogeochimici : carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo.

• cicli esogeni : l'elemento in questione realizza parte del ciclo stesso nell'atmosfera (O2 per l'ossigeno, N2 per l'azoto, CO2 per il carbonio).

• Altri, in particolare il ciclo del fosforo, non possiedono componenti gassose e sono endogeni .

• Tutti i cicli di sedimentazione coinvolgono soluzioni saline o soluzioni del suolo che contengono sostanze rilasciate da minerali erosi: – si possono depositare come formazioni minerali – oppure possono essere assorbite dagli organismi come nutrienti.

Cicli Biogeochimici

• Carbonio, idrogeno, ossigeno, fosforo, azoto, zolfo e tutti gli altri elementi essenziali per la vita : circolano tra l’ambiente fisico e quello vivente degli organismi

• Il flusso di energia attraverso gli ecosistemi èunidirezionale : ogni ecosistema ha bisogno di una fonte costante di energia “fresca”.

• Ogni elemento ha il suo ciclo e, questi cicli sono i n relazione tra di loro

Cicli Biogeochimici

• Nella Biosfera gli elementi chimici passano continuamente dagli esseri viventi all’ambiente fisico e viceversa.

• Passaggio di elementi da un organismo all’altro : catene alimentari, trasporto nell’ambiente fisico.

ProduttoriProduttori

ConsumatoriConsumatori

DecompositoriDecompositori

Energia solareEnergia solare

AriaAria

TerraTerra AcquaAcqua

SerbatoiSerbatoi

X in forma X in forma semplicesemplice

X in forma X in forma semplicesemplice

X in forma X in forma complessacomplessa

X in forma X in forma complessacomplessa

La natura ciclica del movimento di un ipotetico ele mento X. Le linee tratteggiate indicano cammini alternativi o meno comunemente usa ti.

Cicli Biogeochimici

Cicli Biogeochimici

• C’è una stretta interdipendenza dei componenti abiotici (non viventi) e biotici della biosfera.

• Gli organismi viventi : • fanno avvenire maggior parte delle reazioni chimich e

che trasformano un elemento essenziale durante il suo ciclo.

• mediano molte delle reazioni chimiche che cosìpossono avvenire con efficienza.

• forniscono molti dei cammini di reazione .

Cicli Biogeochimici

Stabilità :

• più di un percorso in ogni ciclo • fermate intermedie o cicli contenuti in altri cicli nei percorsi.• i percorsi alternativi mantengono il funzionamento stabile di un

ciclo e, se un percorso è impedito, il flusso può continuare attraverso altri percorsi.

Più percorsi vi sono entro un ciclo, migliori sono le p robabilitàche non si abbia accumulo o carenza dell’elemento in alcun

punto.

• in un ciclo l’aumento o la diminuzione del moto di un elemento attraverso un cammino è compensato da variazioni di velocità di flusso attraverso altri cammini.

Cicli BiogeochimiciPOOL DI RISERVA E POOL DI SCAMBIO• Ciascun ciclo può essere diviso in due compartimenti o

"pools“, caratterizzati da vari tassi di scambio fra di loro:• pool di riserva , che costituisce il componente più

ampio,meno attivo e generalmente non-biologico• pool di scambio (pool labile), una porzione più piccola,

più attiva ed in rapido movimento tra gli organismi e l'ambiente

POOL DI RISERVAPOOL DI RISERVA POOL DI POOL DI SCAMBIOSCAMBIO

Cicli Biogeochimici

• In base alla localizzazione del pool di riserva, i cicli biogeochimici vengono distinti in:

• gassosi , dove il pool di riserva è l'atmosfera o l'idrosferaes: ciclo dell'azotociclo dell'acquaciclo del carbonio

• sedimentari , dove l'elemento è presente in una riserva localizzata nella litosferaes: ciclo del fosforo

ciclo dello zolfociclo del ferro

Cicli Biogeochimici

Differenze tra cicli gassosi e sedimentari

I cicli sedimentari : • più semplici, • meno percorsi diversi • sono seriamente danneggiati più facilmente dei cicli

gassosi.• le sostanze nutrienti tendono a essere meno facilmente

disponibili agli organismi viventi di quelle dei cicli gassosi.

• insufficiente riciclaggio • meno bilanciati.

Ciclo del carbonio

CO2 atmosferica

Solubilizzazione e processi chimici

C inorganico solubile prevalentemente HCO 3

-

C fissato (CH 2O) e C xenobiotico

C inorganico insolubile prevalentemente CaCO 3e CaCO3 *MgCO3

C organico fissato: idrocarburi, C xH2x ..

Precipitazione chimica e incorporazione del carbonio minerale nelle conchiglie

Biodegradazione

Fotosintesi

Dissoluzione come CO2 disciolta

Xenobioti prodotti da materie prime di origine petrolifera Processi

biogeochimici

Ciclo del carbonio

• il carbonio viene trasferito in sistemi biologici e infine nella geosfera e nell'antroposfera in forma di carbonfossile e di combustibile fossile:– attraverso l'energia solare

• il carbonio organico o biologico, {CH2O}, è contenuto in molecole ricche di energia, che possono reagire con molecole di ossigeno, O2, per riformare il biossido di carbonio e produrre energia: – in un organismo ciò può avvenire biochimicamente attraverso la

respirazione aerobica , – oppure può avvenire attraverso una combustione , come

quando viene bruciato del carbone o del combustibile fossile.

Ciclo del carbonio

Nel ciclo del carbonio sono fortemente coinvolti microrganismi mediatori in cruciali reazioni biochimiche….

•Le alghe fotosintetiche fissano il carbonio predominante in acqua:

–quando esse consumano CO2 il pH dell'acqua sale, favorendo la precipitazione di CaCO3 e di CaCO3*MgCO3.

•Il carbonio organico fissato dai microrganismi:–viene trasformato da processi biogeochimici in petrolio fossile, kerogene, carbone e lignite.

Ciclo del carbonio

• Nel ciclo del carbonio sono fortemente coinvolti microrganismi mediatori in cruciali reazioni biochimiche……

• Il carbonio organico delle biomasse, del petrolio e delle sorgenti xenobiotiche– viene degradato da microrganismi e riportato in atmosfera come

CO2.

• Gli idrocarburi come quelli contenuti nel petrolio grezzo, e alcuni idrocarburi ottenuti per sintesi:– vengono degradati da microrganismi.– meccanismo importante nell'eliminazione degli idrocarburi

inquinanti, come quelli che sono stati immessi accidentalmente in acqua o sul suolo.

H2O

Riduzione catalizzata da

enzimi

Batteri ni-trificanti

Batteri ni-trificanti

Riduzione catalizzata da enzimi in organismi superiori

Ciclo dell’azotoNN22 NONO

NONO22

NONO33--NONO22

--NHNH33

NHNH44++

Proteine negli organismi fissatori

Proteine vegetali e animali prodotti

di rifiuto

Organismi in decomposizione

Fissazione biologica

Fissazione industriale

Scariche elettriche, combustione ad alta

temperatura

Sintesi di proteine e amminoacidi

Organismi in decomposizione

Batteri denitrificanti

N2O

O2

La freccia tratteggiata rappresenta un cammino meno importante. L’importanza di ogni serbatoio e di ogni cammino dipende dal par ticolare ecosistema considerato.

Ciclo dell’azoto

Pentossido di diazotoAcido nitrico

Ione nitrato

Diossido di azotoAcido nitroso

Ione nitrito

Ossido di azotoOssido nitroso

Azoto

AmmoniacaIone ammonio

α-ammino acidiAmmidiProteine

N2O5

HNO3

NO3-

NO2

HNO2

NO2-

NON2O

N2

NH3

NH4+

+5

+4+3

+2+1

0

-3

NomeFormulaStato di ossidazione

Forme ossidate

Forme ridotte

Ciclo dell’azoto

• serie di reazioni di ossidazione e di riduzione dell’azoto e di alcuni suoi composti.

• avvengono per azione degli organismi viventi (piante verdi, alghe, batteri, funghi) – che forniscono o l’energia per produrre molte reazioni

o sostanze che accelerano le reazioni, o entrambi le cose.

• Il ciclo è pertanto un’interazione intima tra organismi viventi e l’ambiente fisico:– il benessere dell’uno dipende dall’altro.

Ciclo dell’azoto

Ciclo dell’azotoChimica dell’azoto e dei suoi composti

• Nel ciclo dell’azoto, l’azoto libero, o elementare, esiste quasi esclusivamente nell’aria: – l'atmosfera è infatti costituita per il 78 % in volume di azoto

elementare, N2

• Certi composti dell’azoto sono localizzati nel terreno e nell’acqua.

• L'azoto, è un costituente essenziale delle proteine. • La molecola N2 è molto stabile,

– Per rompere una molecola di N2 occorrono 225 kcal di energia: – N2 + 225kcal� 2N – Ciò avviene quindi attraverso processi altamente energetici,

come ad esempio scariche elettriche.

Ciclo dell’azoto

Chimica dell’azoto e dei suoi compostiFissazione• L’azoto molecolare N2non può essere usato

direttamente ma viene fissato, da processi biochimici mediati da microrganismi

– lo trasformano in composti solubili in acqua (NO3-,

NH4+ e NH3) e quindi assimilabili dagli organismi

attraverso il ciclo biogeochimico

– mediante l’uso di enzimi per accelerare le reazioni

Ciclo dell’azoto

Chimica dell’azoto e dei suoi composti

•L’azoto rientra nell’ambiente in parecchi modi –la via più ovvia è attraverso la morte degli organismi.

•I loro corpi vengono decomposti da funghi e batteri :– che rilasciano ammoniaca e ioni ammonio

•i quali poi con un processo chiamato nitrificazione–possono essere utilizzati per la formazione di nitrati

Ciclo dell’azoto

Chimica dell’azoto e dei suoi composti

Nella nitrificazione si distinguono •i batteri nitrificatori,

– che trasformano l'ammoniaca in nitriti (NO2-),

•i batteri nitratatori, – che, a loro volta, ossidano i nitriti e

contribuiscono alla produzione dei nitrati (NO3-).

Ciclo dell’azoto

Chimica dell’azoto e dei suoi composti•Nel corso della decomposizione avviene la denitrificazione, sempre a opera di batteri (anaerobi eterotrofi)

– attraverso la quale gli ossidi di N sono ridotti ad azoto molecolare o a biossido di azoto – quindi restituiti all’atmosfera.

Ciclo dell’azoto

•Autoregolazione

•Il ciclo dell’azoto è auto-regolante:– può mantenere l’equilibrio – vi è poco accumulo o impoverimento di azoto nei serbatoi dell’ecosistema.

•L’unico squilibrio nel bilancio:– riguarda la perdita di azoto organico che finisce nei sedimenti marini profondi e inaccessibili.

Ciclo dell’azoto

•Autoregolazione

• I nitrati formati in questi sedimenti per azione batterica :

– possono nel tempo essere riportati alla superficie della terra per formare depositi concentrati di nitrati.

– In altri casi, i meccanismi naturali del ciclo sono incapaci di ristabilire l’equilibrio.

Ciclo dell’azoto

•Autoregolazione•L’attività antropica ha creato disequilibri locali alterando la quantità di ione nitrato negli ecosistemi:

– sia togliendo nitrati da alcuni ecosistemi – che aggiungendo troppi nitrati ad altri

ecosistemi con inevitabile cattiva distribuzione e accelerazione di vari percorsi del ciclo

– Influenzando anche altri cicli.

Ciclo dell’azoto

Energia nel ciclo dell’azoto• muovendosi nel suo ciclo l’azoto subisce una serie di ossidazioni e riduzioni. • la riduzione dell’azoto molecolare e combinato ad altre forme di azoto richiede energia

–che è fornita direttamente o indirettamente da microrganismi associati nella trasformazione.

•Inversamente, l’ossidazione dell’azoto combinato libera energia che può essere utilizzata dagli organismi;

–questo perché reagisce con l’ossigeno molecolare che prende parte alla maggior parte delle reazioni redox. –In tali reazioni l’ossigeno molecolare riceve elettroni da un atomo meno elettronegativo come carbonio e azoto ossidandoli.

Ciclo dell’azoto

•Energia nel ciclo dell’azoto

•In tali trasformazioni la perdita di energia come calore è inevitabile

– quindi, per il funzionamento ininterrotto del ciclo èimportante un continuo rifornimento di energia.

•Mentre l’azoto circola in modo ciclico, – l’energia è dissipata come calore che non può

essere utilizzato dagli organismi– Il flusso di energia è unidirezionale mentre quello dei

nutrienti è ciclico.

Ciclo dell’ossigeno

Ciclo del fosforo

Ciclo dello zolfo

Riepilogo

•I cicli del carbonio, zolfo e azoto contengono composti gassosi

–che permettono agli elementi di circolare attraverso un cammino atmosferico e sono legati tra loro attraverso i cicli dell’ossigeno e dell’acqua. Se è attivo l’uno, sono attivi anche gli altri.

•Maggiore è il numero di cammini alternativi esistenti nel ciclo biogeochimico di un elemento tra un punto all’altro

– meglio quel ciclo sarà capace di adattarsi a piccoli disturbi di breve durata, e più perfetto sarà quel ciclo.

•I cicli gassosi tendono ad essere autoregolanti mentre quelli sedimentari lo sono di meno:

–a causa della loro natura più semplice e alla loro tendenza a perdere il loro elemento in sedimenti, dove l’elemento èinaccessibile agli organismi e al riciclaggio.

ATMOSFERA TERRESTREATMOSFERA TERRESTRE

INQUINAMENTO ATMOSFERICOINQUINAMENTO ATMOSFERICO

ATMOSFERATROPOSFERA

Va dal livello del mare fino a 11 km di altitudine a diretto conVa dal livello del mare fino a 11 km di altitudine a diretto contatto tatto con litosfera e idrosfera.con litosfera e idrosfera.

A questo livello avvengono i fenomeni climatici: movimenti A questo livello avvengono i fenomeni climatici: movimenti orizzontali e verticali delle masse dorizzontali e verticali delle masse d’’aria.aria.

Lo strato dLo strato d’’aria a piaria a piùù diretto contatto con la superficie terrestre diretto contatto con la superficie terrestre fino ad 1Km di altezza fino ad 1Km di altezza èè caratterizzato da un buon mescolamento caratterizzato da un buon mescolamento dovuto ai moti convettivi.dovuto ai moti convettivi.

Durante la notte lo spessore Durante la notte lo spessore èè ridotto dalle maggiori condizioni di ridotto dalle maggiori condizioni di stabilitstabilitàà delldell’’aria: la presenza di alcuni contaminanti in prossimitaria: la presenza di alcuni contaminanti in prossimitààdel suolo può essere maggiore durante la notte!!del suolo può essere maggiore durante la notte!!

ATMOSFERASTRATOSFERAArriva a 50 km circaArriva a 50 km circa

Si verifica un aumento di temperatura che stabilizza il movimentSi verifica un aumento di temperatura che stabilizza il movimento o delle particelle di aria verso ldelle particelle di aria verso l’’alto e quindi il mescolamento verticale.alto e quindi il mescolamento verticale.

Il flusso di aria Il flusso di aria èè prevalentemente orizzontale.prevalentemente orizzontale.

PoichPoichéé non vi non vi èè pioggia per pulire lpioggia per pulire l’’atmosfera dai contaminanti, questi atmosfera dai contaminanti, questi permangono per tempi molto lunghi e possono spostarsi per grandipermangono per tempi molto lunghi e possono spostarsi per grandidistanze.distanze.

EE’’ caratterizzata dalla presenza di un sottile strato di ozono caratterizzata dalla presenza di un sottile strato di ozono responsabile dellresponsabile dell’’assorbimento della radiazione ultravioletta assorbimento della radiazione ultravioletta proveniente dal sole.proveniente dal sole.

ATMOSFERAMESOSFERA

Va da 50 a 85 km circa. Va da 50 a 85 km circa.

Il gradiente di temperatura si inverte nuovamente. Il gradiente di temperatura si inverte nuovamente.

Si hanno rapidi mescolamenti verticali.Si hanno rapidi mescolamenti verticali.

ATMOSFERATERMOSFERA

Va da 85 a 500 km circa.Va da 85 a 500 km circa.

LL’’aria aria èè altamente rarefatta.altamente rarefatta.

ATMOSFERAESOSFERA

Oltre i 500 km di altezza.Oltre i 500 km di altezza.

Le molecole possono sfuggire allLe molecole possono sfuggire all’’attrazione gravitazionale e perdersi attrazione gravitazionale e perdersi nello spazionello spazio

21%

78%

1%

Ossigeno

Azoto

Altro

COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA

Nell’atmosfera .

• l'acqua è variabile da 0.1 a 5%,

• materiale particellare o polveri.

• moltissime specie presenti a livelli di concentrazione che vanno da (ppb) fino a poche (ppt)

•hanno una grossa rilevanza nel determinare le proprietà chimiche, fisiche dell’atmosfera stessa.

INQUINAMENTO ATMOSFERICO

presenza nell'atmosfera di sostanze che causano un effetto misurabile sull’essere

umano, sugli animali, sulla vegetazione o sui diversi materiali.

Queste sostanze di solito non sono presenti nella normale composizione dell’aria , oppure lo sono ad un livello di concentrazione inferiore.

Gli inquinanti vengono solitamente distinti in due gruppi principali: quelli di origine antropica , cioè prodotti dall’uomo, e quelli natura li.

INQUINANTI

Primari sono gli inquinanti che vengono immessi direttamente nell’ambiente in seguito al processo che li ha prodotti.

Secondari sono invece quelle sostanze che si formano dagli inquinanti primari (sia antropogenici che naturali) a seguito di modificazioni di varia natura causate da reazioni che, spesso, coinvolgono l’ossigeno atmosferico e la luce.

INQUINANTI PRIMARII principali sono quelli emessi nel corso dei proce ssi di combustione di qualunque natura:

il monossido di carbonio, il biossido di carbonio, gli ossidi di azoto (NOx), le polveri, gli idrocarburi incombusti,anidride solforosa.

TRASFORMAZIONI inquinanti primari

Processi di diffusione, trasporto e deposizione.

Processi di trasformazione chimico-fisica che possono

portare alla formazione degli inquinanti secondari.

DISPERSIONE, RIMOZIONE

Dispersione: da fenomeni di diffusione turbolenta di trasporto delle masse d’aria.

Rimozione: è determinata dai vari processi di

deposizione.

Dispersione e rimozione

processi meteorologici che regolano il comportament o delle masse d’aria nella troposfera.

Microinquinanti organici in fase gassosa

Il ciclo vitale delle sostanze chimiche nella troposfera è determinato:

• dalla distribuzione territoriale

• dall’intensità emissiva delle sorgenti primarie,

• dai processi di veicolazione attraverso i venti, e delle acque superficiali e sotterranee,

• dall’intervento dell’uomo

• dai meccanismi di conversione chimica e rimozione.

… Microinquinanti organici in fase gassosa…

•il radicale ossidrile (OH .)• la sorgente primaria: il processo di

fotolisi dell’ozono troposferico

• altre importanti specie ossidanti• radicale ossidrile • all’ozono• l’ossigeno atomico (O), • il radicale idroperossile (HO 2) • il radicale nitrato (NO 3).

… Microinquinanti organici in fase gassosa…

Le possibili vie di rimozione atmosferica:

• la fotolisi diretta

• la reazione con ozono

• l’attacco diurno da parte del radicale OH • quello notturno da parte del radicale nitrato.

Chimica della Stratosfera

è una regione dell’atmosfera che rappresenta il naturale schermo della terra alle radiazioni solari essendo in grado di filtrare le radiazioni UV.

La quantità totale di ozono che ci sovrasta in qualsiasi punto dell’atmosfera è espressa in unitàDobson (DU).

Lo strato di ozono

Una unità Dobson (DU) equivale ad uno strato di ozono puro dello spessore di 0.01 mm alla densità che questo gas possiede pressione esistente all’altezza del suolo (1 atm).

I processi chimici alla base della diminuzione dell o strato di ozono

e di altri processi che si verificano nella stratos fera

Assorbimento della luce

Attivazione delle molecole

Reattività chimica

sono alimentati dall’energia contenuta nella luce solare.

Le sostanze differiscono moltissimo fra loro

per la propensione ad assorbire luce di una data

lunghezza d’onda

differenze dei livelli energetici

degli elettroni.

Radiazioni

IR termiche

4000

10000

Infrarosso

Violetto

Rosso

400

750

Visibile

400

750

UV-A

320UV-B

280UltaviolettoUV-C

200

50

Raggi X<50

Sub-intervallo

Lunghezzad’onda (nm)

Intervalloprincipale

Lunghezzad’onda (nm)

Spettro di assorbimento

Rappresentazione grafica della frazione di luce che può essere assorbita da una data molecola.

125-175 nm 220-320 nm

O2 O3

PRINCIPI DI FOTOCHIMICA …

L’energia E di un fotone è in relazione con la frequenza e la lunghezza d’onda della luce:

E = hνννν E = hc/λλλλ

h = costante di Planck = 6,626x10-34 J s

c = velocità della luce nel vuoto = 2,998x108 ms-1


Energie dei fotoni della luce di differenti lunghezze d’onda.

160750

299400

374320

413290

544220

kJ/molinm


Nel caso della luce UV-Vis, le energie fotoniche sono dello stesso ordine di grandezza dell’entalpia della reazioni chimiche comprese quelle che dissociano atomi dalle molecole.

Una reazione innescata da un imput di energia sotto forma di energia luminosa viene detta

reazione fotochimica


Molecole che assorbono luce in genere non trattengono molto a lungo l’eccesso di energia.

In una piccola frazione di secondo le molecole

* devono utilizzare l’energia acquisita per reagire fotochimicamente

* dissiparla come energia termica per collisione co n le molecole vicine

* aumentare la loro energia cinetica.

FORMAZIONE E DISTRUZIONE NON CATALITICA DELL’OZONO

La reazione di formazione dell’ozono nella stratosfera genera calore sufficiente per

influenzare la temperatura in questa regione dell’atmosfera.

La concentrazione delle molecole di O 2è così bassa che gran parte dell’O2, esiste in forma atomica O in seguito a fotodissociazione di molecole di O2

O2 + hνννν (200-280 nm) →→→→ 2 O

Gli atomi di ossigeno formati finiscono per collidere e riformare O2

2 O →→→→ O2

che va ancora incontro a fotodissociazione.

Al disopra della stratosfera

l’aria è assai sottile

Nella stratosfera

L’intensità della luce UV-C è assai minore: gran parte di essa è filtrata da parte dell’O2 sovrastante.

L’aria è più densa con maggiore concentrazione di O2.

Gran parte dell’ossigeno stratosferico: è in forma di O2 piuttosto che di ossigeno atomico.

Fonte di tutto l’ozono presente nella stratosfera

O + O2 →→→→ O3 + calore

La concentrazione di O 2 è maggiore che nella parte superiore.

La radiazione UV sono filtrate prima: è poca la quantitàdi ossigeno dissociata e poca la quantità di O3 formata.

La densità dell’O 3 raggiunge il massimo dove èpiù alto è il prodotto tra l’intensità della radiazione UV-C e la concentrazione di O 2.

Nella parte inferiore della stratosfera

Gran parte dell’O 3 è localizzato

tra 15 e 35 Km di altezza cioè si situa nella parte inferiore e intermedia della stratosfera, regione nota come strato di ozono.

Il massimo di densità dell’ozono si trova:

a circa 25 Km di altezza al disopra delle aree tropicali,

a 21 km di altezza alle latitudini intermedie,

a 18 Km a livello delle regioni subartiche.

Per dissipare l’energia termica generata nelle collisioni tra ossigeno atomico (O) e quello molecolare (O2) che producono O3

è necessaria una terza molecola M (quale l’N 2):

O + O2 + M →→→→ O3 + M + calore

Tale liberazione di calore è la causa della maggiore temperatura della stratosfera rispetto a quella

dell’aria sovrastante e sottostante.

La stratosferaè quindi definita come la regione dell’atmosfera compresa tra questi due confini di temperatura in cui si ha un’inversione termica.

Nella stratosfera l’aria è stratificata

perché il mescolamento verticale è lento per il fatto che l’aria fredda con maggiore densità non sale spontaneamente per effetto della forza di gravità.

La distruzione dell’O 3

ad opera della radiazione UV di lunghezza d’onda minore di 320 nm:

O3 + hνννν (λλλλ < 320nm) →→→→ O2 + O*

L’atomo O* si trova in uno stato eccitato a più alta energia e, se non reagisce con altri atomi tale energia viene persa.

Le reazioni possibili di O*

O* + O2 →→→→ O3

O* + O3 →→→→ 2 O2 reazione molto lenta

L’O 3 della stratosfera viene continuamente formato, decomposto e riformato durante le ore diurne.

Viene prodottoin virtù della presenza delle radiazioni UV-C (200-280 nm)

viene provvisoriamente distrutto:quando filtra gli UV-B e UV-C:quando reagisce con atomi di ossigeno

RIASSUMENDO…

…RIASSUMENDO

L’O3 non si forma

al di sotto della stratosfera per la mancanza degli UV-C

al di sopra dove predominano atomi di ossigeno che si ricombinano a formare O2 .

… quindi …

troposfera

stratosfera

Chimica ambientale LEZIONE 1 - remondini.net • La geosfera è composta dalla terra solida,...

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