Appunti Chimica ambientale

Capitolo 1

Introduzione alla scienza ambientale

La scienza ambientale è lo studio della terra, dell'aria, dell'acqua, degli ambienti viventi e degli effetti della tecnologia su di essi. Con effetti della tecnologia, si intendono ad esempio rifiuti, inquinanti, sostanze tossiche, acque industriali che vanno ad influire sulle condizioni di biosfera, geosfera, idrosfera e atmosfera.

La chimica ambientale è un ramo della scienza ambientale che studia le sorgenti, il trasporto e gli effetti delle specie chimiche in acqua, aria e suolo. Questa disciplina usa tecniche analitiche per determinare la presenza di inquinanti nelle acque, nell'aria e nel suolo. Mediante queste tecniche analitiche è possibile qualificare e quantificare una sostanza e comprendere se è o meno inquinante e quindi cercare di risolvere il problema. Tuttavia, la parte analitica è solo una parte della chimica ambientale quindi le due discipline non vanno confuse. La chimica ambientale ha un ruolo sempre più importante in quanto, visti i danni provocati all’ambiente da inquinanti (es: materie plastiche o idrocarburi), sta diventando sempre più importante trovare metodi per limitare i danni provocati all’ambiente e per cercare di limitare l’inquinamento.

Sfere ambientali

• Idrosfera: con questo termine si identifica tutta l’acqua terrestre. L'acqua ricopre il 70% della superficie terrestre e si trova in tutte le sfere dell'ambiente: negli oceani come riserva di acqua marina, sulle terre emerse come acqua di superficie (laghi o fiumi), nel sottosuolo come falde idriche, nell'atmosfera come vapore acqueo e nelle calotte polari come ghiaccio. In sostanza è parte essenziale di tutti i sistemi ed è il mezzo che ha permesso l'evoluzione e la permanenza della vita. L’acqua trasporta la materia e l’energia attraverso le varie sfere ambientali, inoltre può sciogliere e trasportare i costituenti solubili dei minerali e fornire nutrimento alle piante. Attraverso l’evaporazione dell’acqua degli oceani viene inoltre assorbita l’energia solare e trasportata sotto forma di calore latente per poi essere rilasciata sulla terra emersa.
• Atmosfera: sottile strato di gas che circonda la superficie terrestre, ed è trattenuto dalla forza di gravità, questa funge da mantello protettivo della terra consentendo la vita su di essa. L’atmosfera infatti mitiga e stabilizza la temperatura della terra, assorbe le radiazioni solari e cosmiche, consente il passaggio solo di quelle vicino UV, visibile e IR (300-2500nm) e delle onde radio (0,01-40m). Questa funge inoltre da sorgente di gas come, ad esempio, la CO₂ per la fotosintesi delle piante, l’O₂ per la respirazione e l’N₂ per la proliferazione di batteri fissatori ed essenziale per gli esseri viventi. L’atmosfera è una parte fondamentale del ciclo idrologico: le acque evaporano grazie al calore, successivamente l’accumulo formato da queste condensa e precipita sulla terra infiltrandosi poi nelle profondità di essa tornando poi in mare.
• Geosfera: la geosfera, o terra solida, è la parte coinvolta nei processi ambientali attraverso il contatto con le altre sfere quali atmosfera, idrosfera e biosfera; la litosfera si compone della parte più esterna del mantello e della crosta terrestre, quest’ultima è costituita da minerali leggeri a base di silicati e la sua formazione è dovuta all’erosione disgregativa delle rocce avvenuta da parte di processi fisici, chimici, biologici. Nella geosfera vive l’essere umano ed è da essa che quest’ultimo trae nutrimento, minerali e combustibili.
• Biosfera: comprende tutti gli esseri viventi. Gli organismi viventi e gli aspetti ambientali che li influenzano sono detti biotici, quelli che non li influenzano sono detti invece abiotici. Lo studio degli esseri viventi viene fatto dalla biologia, che può studiarli dal punto di vista microscopico, quindi lo studio cellulare, o macroscopico, cioè studiare come specie diverse interagiscono tra loro.
• Antroposfera e tecnologia: è la parte della biosfera costituita dagli esseri umani e dalle opere da essi prodotte. Gli esseri umani sono soliti usare la tecnologia, con essa si intendono i modi con i quali gli esseri umani utilizzano i materiali e l’energia proveniente dall’ambiente. L’uso di processi produttivi lascia scorie nell’ambiente ed è quindi importante considerare l’analisi della tecnologia e dei processi produttivi nella scienza ambientale. 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.

Energia

Tutti i processi che avvengono nelle sfere naturali (cioè in tutte tranne l’antroposfera) sono azionati dall’energia solare. Il sole emette radiazioni elettromagnetiche di energia che raggiungono la terra. Questa energia viene trasferita alle sfere sotto forma di calore o di lavoro. Tali trasferimenti seguiranno le leggi della termodinamica, cioè:

• Legge di conservazione di energia: sebbene l'energia possa essere trasformata e convertita da una forma all'altra, la quantità totale di energia in un sistema isolato non varia nel tempo.
• Tendenza al disordine: l'entropia di un sistema isolato lontano dall'equilibrio termico tende ad aumentare nel tempo, finché non si raggiunge l’equilibrio.

*Nota: L’energia solare può essere usata direttamente per far avvenire reazioni molto utili come ad esempio la fotosintesi.

Una delle fonti di energia più usate dall’uomo sono i combustibili fossili (petrolio, gas naturale, carbone). Queste fonti di energia sono limitate ed altamente inquinanti. Inoltre, i metodi di estrazione di questi, in particolare del carbone, risultano essere distruttivi per l'ambiente. La combustione di combustibili fossili contenenti zolfo rilascia biossido di zolfo che porta alle piogge acide, inoltre la combustione di qualsiasi combustibile fossile porta alla produzione di CO₂, che è responsabile dell’effetto serra. Per questo motivo in futuro sarà necessario sostituire i combustibili fossili con fonti di energia alternativa quali:

• Energia solare
• Biomassa
• Energia eolica

Capitolo 2

Atmosfera

Evoluzione dell'atmosfera

L’atmosfera primordiale era riducente, composta da CH₄, NH₃, H₂O(vap), e prevalentemente H₂. La perdita dei gas più leggeri deve essere avvenuta a causa della temperatura presente allora sulla superficie terrestre, che, essendo molto più elevata di quella attuale, poteva conferire a tali componenti un'energia sufficiente a vincere la forza di gravità e potersi così disperdere nello spazio. L’atmosfera primordiale è poi andata a subire dei cambiamenti e si è evoluta fino alla composizione attuale a causa di fenomeni geologici ed eventi biologici, ad esempio in seguito ai violenti impatti di meteoriti sulla Terra e alle eruzioni vulcaniche frequenti, l'atmosfera si sarebbe arricchita di gas liberati dall'interno della Terra.

L’ossigeno inizialmente fu formato in piccole quantità dalla scomposizione del vapore acqueo sotto l’azione di scariche elettriche e dell’azione della radiazione solare nell’alta atmosfera. Dopo la comparsa della vita sul pianeta, l’atmosfera si è arricchita di ossigeno prodotto delle piante per effetto della fotosintesi. La conversione fotochimica, cioè operata dalla luce, dell'ossigeno diede origine alla formazione dello "strato" di ozono fondamentale per la protezione delle forme di vita dalle radiazioni solari ultraviolette. L’atmosfera passa quindi da essere riducente ad ossidante a causa dell’alta concentrazione di ossigeno biatomico (O₂).

Composizione dell’atmosfera

• Componenti principali: N₂ (78,08%), O₂ (20,95%)
• Componenti minori: Ar (0,934%), CO₂ (0,035%), H₂O(vap) (1-3%)
• Componenti in tracce: CH₄, CO, NO_x, HNO₃, NH₃, H₂, H₂O₂, OH°, SO₂

Caratteristiche fisiche

Massa = 5,14 × 10¹⁵ tonnellate (1 milionesimo della massa della Terra); 99% compresa entro 30 km. Densità diminuisce con l’altitudine; rarefazione aumenta con l’altitudine; cammino libero medio aumenta con l’altitudine; pressione diminuisce con l’altitudine ed è 1 atm al livello del mare.

Regioni dell’atmosfera in base ad altitudine e temperatura

L’atmosfera è costituita da diversi strati concentrici:

• Troposfera: 0 km-16 km. Presenta una composizione omogenea di gas maggiori e acqua che si mescolano costantemente, la temperatura decresce con l'aumentare dell'altitudine passando da +15°C a -56°C. La troposfera ospita l'80% della massa d'aria e il 99% di tutto il vapore acqueo dell’atmosfera. Al confine tra essa e la stratosfera è presente una zona sottile detta tropopausa che fa da barriera per l'acqua ed in cui la temperatura è molto bassa. La composizione nella troposfera è omogenea per via del mescolamento delle masse d’aria. L'aria calda è più leggera di quella fredda e, per questa ragione, tende a salire. L'aria, a contatto con il suolo, si riscalda e sale verso l'alto, mentre l'aria fredda sovrastante scende verso il basso. Una volta salita in quota, l'aria calda si raffredda. Mentre l'aria scesa, a contatto con la superficie terrestre, si riscalda. Questo porta ad un continuo movimento verticale tra l'aria al suolo e quella in quota. Questo movimento facilita la dispersione delle sostanze inquinanti presenti nell'aria. In alcuni casi però vi può essere inversione termica, cioè può accadere che l'aria ad alta quota sia più calda rispetto a quella presente in prossimità del suolo. Questa situazione si verifica soprattutto in inverno e durante la notte, quando il suolo, rilasciando calore, si raffredda. In questo modo si raffreddano anche gli strati di aria che sono a contatto con essa, mentre l'aria a quote maggiori rimane calda. Quando si verifica questa situazione, essendo l'aria calda più leggera, essa rimane in alto e l'aria fredda, più pesante, rimane in basso. Quindi non si verificano quei movimenti d'aria importanti per la dispersione delle sostanze inquinanti.
• Stratosfera: 16-50 km. In questa zona la temperatura cresce gradualmente con l’altitudine. La temperatura dell’aria rimane relativamente costante fino ad un’altitudine di 25 km per poi aumentare gradualmente fino a raggiungere il valore di circa 0°C. L’ozono gioca un importante ruolo nella regolazione della temperatura della stratosfera, infatti l’energia solare viene convertita in energia cinetica quando le molecole di ozono assorbono le radiazioni UV, risultandone così un riscaldamento della stratosfera. Lo strato di ozono è localizzato ad una altitudine compresa tra i 20 e i 30 km. Approssimativamente il 90% dell’ozono dell’atmosfera si trova nella stratosfera. La concentrazione di ozono in questa regione è circa 10 ppm, mentre nella troposfera è approssimativamente 0,04 ppm. La stratosfera è separata dalla mesosfera dalla stratopausa. In questa zona gli scarsi moti verticali determinano una netta stratificazione delle masse d’aria.
• Mesosfera: 50-80 km. In questa zona la temperatura diminuisce gradualmente con l’altitudine passando da -2°C a -90°C. Con l’aumentare della distanza dalla superficie della Terra, la composizione chimica dell’aria diventa fortemente dipendente dall’altitudine e l’atmosfera si arricchisce di gas leggeri. La mesosfera e la successiva termosfera sono separate dalla mesopausa, a circa 80 km di altezza. In questa regione, le concentrazioni di ozono e vapore acqueo sono trascurabili, pertanto la temperatura è più bassa rispetto alla troposfera e alla stratosfera.
• Termosfera: 80-500 km. In questa zona la temperatura cresce con l’altitudine arrivando fino a 1200°C. Questa crescita della temperatura è dovuta all’assorbimento della intensa radiazione solare da parte delle rimanenti molecole di ossigeno. Infatti, ad una altitudine di 100-200 km, i principali componenti dell’atmosfera sono ancora azoto e ossigeno.
• Esosfera: oltre i 500 km e sfuma nello spazio.

Regioni dell’atmosfera divise per ionizzazione

• Atmosfera neutra: è costituita da troposfera e stratosfera ed è la fascia in cui non vi è ionizzazione dei gas.
• Ionosfera: la termosfera e la porzione più esterna della mesosfera costituiscono la ionosfera. In questa zona le radiazioni solari e in piccola parte anche quelle cosmiche provocano la ionizzazione dei gas. Questa zona è estremamente rarefatta, contiene 1% della massa gassosa atmosferica complessiva. La ionizzazione dei gas risulta differente a seconda che sia giorno o notte quindi che vi sia o meno la radiazione solare, la ionizzazione risulterà infatti aumentare durante il giorno raggiungendo il massimo a mezzogiorno (ed in inverno). La ionosfera svolge un ruolo importante in alcune applicazioni radio, infatti questa può deviare le onde elettromagnetiche. La ionosfera può essere suddivisa in 4 strati a differente ionizzazione: Strato D, strato E, strato F1, strato F2 (gli ultimi due si uniscono in un unico strato durante la notte). Quando una radiazione elettromagnetica attraversa questi strati, viene deviata sempre più fino ad essere deviata di 90° e quindi viene riflessa verso la terra che la riflette a sua volta. A subire questa riflessione sono principalmente le onde corte, quelle sotto i 30 MHz utilizzate nelle trasmissioni radio. Le onde possono in questo modo percorrere grandi distanze.
• Magnetosfera: si intende la regione di spazio circostante un corpo celeste entro la quale il campo magnetico da esso generato domina il moto delle eventuali particelle cariche presenti.

Regioni dell’atmosfera divise per composizione

• Omosfera: 0-80 km. Si compone di troposfera, stratosfera e mesosfera ed è caratterizzata da una composizione chimica omogenea, cioè che non varia con l’altitudine.
• Eterosfera: 80-500 km. È caratterizzata da una composizione chimica che varia con l’altezza a causa di processi chimico-fisici. In essa le varie specie chimiche si trovano frazionate in base al loro PM, è composta da parte della mesosfera e dalla termosfera.

Specie chimiche presenti in atmosfera

Nell'atmosfera sono presenti centinaia di composti chimici, alcuni dei quali provengono da processi biologici e naturali come eruzioni, incendi, ma la gran parte di essi proviene dalle attività umane, cioè gas di scarico, polveri industriali. Gli inquinanti immessi nell'atmosfera ne alterano le caratteristiche chimico-fisiche e sono responsabili dei danni alla salute umana, agli organismi e ai manufatti.

• CO₂: è un costituente atmosferico naturale (gas della respirazione e della combustione) ed è necessario per la crescita delle piante. Questa aumenta di 1 ppm l’anno a causa di attività umane come la combustione di combustibili fossili.
• CO: sebbene non rappresenti una minaccia a livello globale, può essere estremamente pericoloso per la salute in quanto impedisce al sangue di trasportare ossigeno ai tessuti. Questa sostanza proviene dalla combustione incompleta del carbone nei veicoli a motore, dalle attività industriali e da processi biologici.
• NO_x: (ossidi di azoto) i più importanti sono NO e NO₂ emessi da veicoli a motore e da impianti di riscaldamento. Di solito è l’NO a trasformarsi per via fotochimica in NO₂ che, assorbendo alcune radiazioni, porta alla formazione di O atomico (molto reattivo), ciò è il primo passo per la formazione di smog fotochimico.
• SO₂: che proviene principalmente dalla combustione del carbone e può essere convertito in atmosfera in acido solforico, che è responsabile delle piogge acide.
• O₃: prodotto nella bassa atmosfera da reazioni chimiche a partire da ossidi di azoto, piccole molecole organiche e luce solare.
• Idrocarburi: principalmente CH₄ (metano) rilasciato da sorgenti sotterranee o dalla fermentazione di materiale organico. Questo è poco reattivo quindi partecipa poco alle reazioni fotochimiche. In presenza di NO, inversione termica, bassa umidità e sotto l’azione delle radiazioni solari, gli idrocarburi possono portare a smog fotochimico che si manifesta come materiale particolato che riduce la visibilità. Con il termine particolato si indica materiale di vario tipo disperso in atmosfera che può andare da particelle costituite da poche molecole a particelle visibili ad occhio nudo, quello più pericoloso è quello più fine che può arrivare negli alveoli polmonari.

*Nota: CO_x, NO_x, SO_x sono inquinanti solo se presenti in elevate concentrazioni perché in concentrazioni opportune sono dei normali costituenti dell’atmosfera.

*Nota: Oltre a questi composti chimici, ci sono anche i costituenti principali dell’atmosfera.

Acqua atmosferica

In atmosfera è sempre contenuta una certa quantità di acqua (0.1-5%) che diminuisce con l’altezza. Questa può essere allo stato solido o liquido (nubi) ed in parte allo stato gassoso (dovuto all’evaporazione di oceani). Il vapor d’acqua contenuto nell’aria costituisce l’umidità atmosferica. La quantità di vapor d’acqua è indicata con:

• Umidità relativa: cioè il rapporto tra la quantità di vapor d’acqua presente nell’aria a una certa T e la quantità massima contenibile a quella stessa T. Quando l'umidità relativa raggiunge il 100%,...