Chimica ambientale

1. Chimica ambientale Rita Giovannetti

2. La Scienza ambientale

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia 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 assorbita nell’evaporazione 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.

7. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia Aria 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

8. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia 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.

9. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia II 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.

10. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia II 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.

11. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia 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

12. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia La vita l'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.

13. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia La 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

14. Acqua, aria, suolo, vita, tecnologia 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.

15. 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.

16. 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

17. Energia e cicli energetici Luce 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.

18. Energia e cicli energetici Luce 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 () caratteristiche. • λ =c

19. Energia e cicli energetici Luce 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  dove 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).

20. Energia e cicli energetici Flusso 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

21. Sole Clorofilla energetica Assorbimento energia solare Acqua Trasferimento di energia attraverso ATP ad alta energia Biossido di carbonio Sintesi di carboidrati Ossigeno O2 Carboidrati CH2O Energia e cicli energetici Flusso 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.

22. 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.

23. Impatto umano e inquinamento • 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.

24. Impatto umano e inquinamento • 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

25. 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.

26. Reagenti Contaminanti (impurezze) Processi produttivi Mezzi di reazione (acqua, solventi organici) Emissioni atmosferiche Riciclo Catalizzatori Prodotti e sottoprodotti utili. Scarichi che possono richiedere trattamenti Sottoprodotti recuperati Acque di scarico Solidi e liquami Minimizzare l’impatto ambientale • un generico processo di produzione con una accurata progettazione in modo da minimizzare l’impatto ambientale

27. 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.

28. Atmosfera Biosfera Antroposfera Geosfera Idrosfera Cicli della materia Ciclo generale che mostra lo scambio di materia tra atmosfera, biosfera, antroposfera, geosfera e idrosfera.

29. Massa di neve, ghiaccio Infiltrazione verso acqua sotterranea Acqua sotterranea Cicli della materia

30. Cicli della materia Scambio di materiali tra le possibili sfere dell'ambiente

31. 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.

32. Atmosfera Biosfera Idrosfera Sedimenti Suolo Roccia sedimentaria Roccia Ignea Roccia metamorfica Magma Cicli endogeni ed esogeni

33. Cicli endogeni ed esogeni • Cicli biogeochimici : carbonio, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo. • cicli esogeni: l'elemento in questione realizzaparte 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.

34. 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 è unidirezionale: ogni ecosistema ha bisogno di una fonte costante di energia “fresca”. • Ogni elemento ha il suo cicloe, questi cicli sono in relazione tra di loro

35. 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.

36. Energia solare X in forma semplice Produttori X in forma complessa Consumatori Aria Terra Acqua X in forma complessa Serbatoi Decompositori X in forma semplice Cicli Biogeochimici La natura ciclica del movimento di un ipotetico elemento X.Le linee tratteggiate indicano cammini alternativi o meno comunemente usati.

37. Energia solare X in forma semplice Produttori X in forma complessa Consumatori Aria Terra Acqua X in forma complessa Serbatoi Decompositori X in forma semplice Cicli Biogeochimici La natura ciclica del movimento di un ipotetico elemento X.Le linee tratteggiate indicano cammini alternativi o meno comunemente usati.

38. 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 chimiche che trasformano un elemento essenziale durante il suo ciclo. • mediano molte delle reazioni chimiche che così possono avvenire con efficienza. • forniscono molti dei cammini di reazione.

39. Cicli Biogeochimici Stabilità: • più di un percorso in ogni ciclo • fermate intermedieo 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 probabilità che non si abbia accumulo o carenzadell’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.

40. Cicli Biogeochimici POOL 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 RISERVA POOL DI SCAMBIO

41. 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'idrosfera es: ciclo dell'azoto ciclo dell'acqua ciclo del carbonio • sedimentari, dove l'elemento è presente in una riserva localizzata nella litosfera es: ciclo del fosforo ciclo dello zolfo ciclo del ferro

42. 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.

43. CO2 atmosferica Biodegradazione Solubilizzazione e processi chimici Fotosintesi C inorganico solubile prevalentemente HCO3- C fissato (CH2O) e C xenobiotico Dissoluzione come CO2 disciolta Precipitazione chimica e incorporazione del carbonio minerale nelle conchiglie Xenobioti prodotti da materie prime di origine petrolifera Processi biogeochimici C inorganico insolubile prevalentemente CaCO3 e CaCO3*MgCO3 C organico fissato: idrocarburi, CxH2x .. Ciclo del carbonio

44. Ciclo del carbonio • il carbonio viene trasferito in sistemi biologici e infine nella geosfera e nell'antroposfera in forma di carbon fossile 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.

45. 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.

46. 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.

47. Ciclo dell’azoto Scariche elettriche, combustione ad alta temperatura N2 NO Fissazione biologica O2 La freccia tratteggiata rappresenta un cammino meno importante. L’importanza di ogni serbatoio e di ogni cammino dipende dal particolare ecosistema considerato. Batteri denitrificanti Proteine negli organismi fissatori Fissazione industriale NO2 N2O H2O Batteri ni- trificanti Batteri ni- trificanti Organismi in decomposizione NH3 NH4+ NO2- NO3- Sintesi di proteine e amminoacidi Riduzione catalizzata da enzimi in organismi superiori Riduzione catalizzata da enzimi Organismi in decomposizione Proteine vegetali e animali prodotti di rifiuto

48. Ciclo dell’azoto Forme ossidate Forme ridotte

49. 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.

50. Ciclo dell’azoto