Modulo II Chimica ambiente

Ambiente e cicli biogeochimici

Scienza ambientale

Scienza ambientale: insieme delle interazioni che avvengono tra gli ambienti terrestre, acquatico, vivente e antropologico.

Chimica ambientale

Chimica ambientale: è la disciplina chimica che si occupa di reazioni, destino, spostamenti e fonti delle sostanze chimiche nell'aria, nell'acqua e nel terreno, in relazione al biota. Ha un ruolo rilevante nella caratterizzazione e nella riduzione degli impatti ambientali: I = P x A x T.

Definizioni chiave

Ambiente: insieme delle condizioni fisico-chimiche e biologiche che permettono e favoriscono la vita degli esseri viventi.

Chimica: scienza che studia le proprietà, la struttura, la preparazione, la reattività, il riconoscimento e il dosaggio di tutte le sostanze sia naturali che artificiali, sia inorganiche che organiche.

Esposizione umana a sostanze pericolose

L'esposizione umana a sostanze pericolose avviene attraverso i vari compartimenti ambientali per tre vie: inalazione, assorbimento dermico, ingestione.

Sfere ambientali

Sono cicli biogeochimici che formano l'ecosfera.

Atmosfera

L'atmosfera è il vasto involucro gassoso che ricopre la Terra. I suoi confini non sono facilmente definibili mediante gli strati atmosferici (troposfera-stratosfera-mesosfera-termosfera-ionosfera). I gas principali sono: N2 (78%), O2 (21%), vapore H2O (1%) e altri gas.

Funzione atmosfera: riserva di gas; assorbe energia e UV; trasporta energia dalle regioni calde; trasporta vapore.

Idrosfera

L'idrosfera descrive l'acqua sul nostro Pianeta. L'acqua esiste sulla Terra in vari comparti come l'atmosfera, gli oceani, i laghi, i fiumi, i suoli, i ghiacciai e le acque sotterranee. L'acqua si muove da un comparto all'altro attraverso evaporazione, condensazione, scorrimento, precipitazione, infiltrazione e flusso sotterraneo. Contiene l'acqua terrestre 97% H2O degli oceani. Il 70% è H2O liquida.

Geosfera

La geosfera è composta dalla terra solida ed inorganica. Riguarda sia la parte esterna che quella interna della Terra.

Biosfera

La biosfera contiene tutti gli esseri viventi. Tutte le sfere sono intercorrelate attraverso i cicli biogeochimici. Tutti gli esseri viventi sulla Terra compongono la biosfera. Questi organismi e gli aspetti dell'ambiente che li riguardano direttamente sono chiamati i biotici; le altre parti dell'ambiente sono abiotiche.

Ecologia

Ecologia: è la scienza che tratta delle relazioni tra gli organismi viventi e il loro ambiente fisico. Si scambiano materiali in modo essenzialmente ciclico.

Categorie ambientali

Per lo studio dell'ecologia, spesso conviene suddividere l'ambiente in quattro vaste categorie:

• Ambiente terrestre → terra emersa con i biomi (complesso flora e fauna caratterizzata in una particolare area geografica del pianeta).
• Ambiente H2O dolci → H2O correnti: amb. lotici, H2O ferme: amb. lentici.
• Ambiente marino → H2O profonde: prigione oceanica, H2O meno profonde.
• Ambiente simbiotico → organismi che traggono profitto l'uno dall'altro.

Energia e leggi termodinamiche

Calore: energia trasferita nei sistemi ambientali. L'energia è trasferita come lavoro e come calore. Quest'ultimo è l'energia trasferita da un corpo più caldo ad uno più freddo con differenza di T.

I legge termodinamica: l'energia né si crea né si distrugge, ma passa da una forma ad un'altra.

II legge termodinamica: sistemi naturali tendono ad un disordine e l'energia viene in parte usata come lavoro e in parte come calore.

Inquinamento

L'inquinamento dell'acqua, dell'aria e del suolo sono collegati tra loro (esempio: piogge acide e rifiuti tossici che inquinano le falde e poi i fiumi).

Contaminanti e inquinanti

Contaminanti: composti introdotti nell'ambiente in quantità superiore al naturale, modificando quindi la composizione “naturale” del comparto ambientale.

Inquinanti: contaminanti che causano danno, soprattutto in relazione all'utilizzo del comparto. Ogni inquinante ha origine da una sorgente (outdoor o indoor) e può raggiungere un recettore su cui ha effetto o può essere immagazzinato a lungo termine in un sink.

Inquinamento delle acque

Pesticidi ed erbicidi usati in agricoltura; scarichi industriali; discariche, bacini di stoccaggio, ecc.

Inquinamento della geosfera

Rifiuti pericolosi: sostanza potenzialmente rischiosa, scaricata, abbandonata, dimenticata, rilasciata, che può interagire con altre determinando una minaccia.

Disinquinamento dei diversi comparti

• H2O → livelli inquinamento: parametri macro descritti; impianti potabilizzazione/depurazione.
• Suolo → inquinamento meno evidente, tempi lunghi, biorisanamento, influenza raccolti.
• Aria → non si può pulire dopo; interventi preventivi; livelli allarme/stazionari.

Tecnologie per minimizzare l'impatto ambientale

Vi sono molti modi in cui la tecnologia può essere applicata per minimizzare l'impatto ambientale. Tra questi vi sono i seguenti:

• L'uso di modernissimi sistemi di controllo computerizzati per raggiungere l'efficienza energetica ottimale, la massima utilizzazione di materiali grezzi e la minima produzione di sottoprodotti inquinanti.
• L'uso di materiali che minimizzino i problemi di inquinamento.
• L'applicazione di processi e materiali che consentano il massimo riciclaggio di materiali e la minima produzione di sottoprodotti di scarico.
• L'applicazione di biotecnologie avanzate, quali il trattamento biologico dei rifiuti.
• L'uso dei migliori catalizzatori per sintesi efficienti.
• L'uso dei laser per strumenti di precisione e processi per minimizzare la produzione di rifiuti.

Cicli naturali

Biotico

Nel mondo biotico sono presenti:

• Produttori: (piante e alghe) mediante la fotosintesi producono sostanza organica rielaborando composti chimici semplici.
• Consumatori: (animali e uomo) utilizzano la sostanza organica.
• Demolitori: (batteri, muffe, funghi, lieviti, ecc.) decompongono le sostanze di rifiuto prodotte dai consumatori in composti semplici che vengono riutilizzati dai produttori.

Abiotico

Le sostanze inorganiche includono C, O2, CO2, H2O, NH3, N2, P elementi essenziali; sostanze organiche come zuccheri, proteine, lipidi, ecc.; e il regime climatico: pressione, temperatura, umidità, irradiazione solare.

Flussi energetici

• En. Geotermica: (se prevale) ciclo rocce (cicli irregolari)
• En. Solare (se prevale) → ciclo H2O, ciclo biogeochimico (sono 30, i più importanti: C, N, O, P, S) (ciclo regolare).

Cicli biogeochimici

Ciclo del carbonio

Il controllo del ciclo è prevalentemente biologico e i meccanismi con i quali avviene sono la respirazione e la fotosintesi:

6CO2 + H2O ↔ C6H12O6 + O2

L'elemento si trova abbondante in tutti i comparti ambientali. Il carbonio viene riportato alla riserva atmosferica sotto forma di anidride carbonica tramite i processi di respirazione di piante, animali, batteri e funghi. Del carbonio presente nei resti organici una parte viene recuperata attraverso i processi di decomposizione che avvengono in ambiente aerobico o anaerobico; un'altra parte viene incorporata nei sedimenti.

Ciclo geochimico del carbonio

Il C, dall'atmosfera, viene sciolto in H2O superficiale e sotterranee sotto forma di HCO3 e poi in minerali MgCO3 e CaCO3. In fotosintesi, il C è in CH2O e in altri casi in petrolio, gas naturale, kerosene (CxH2x) (sono riserve naturali di C). I processi convertono gli idrocarburi in prodotti xenobiotici, che hanno gruppi funzionali come alogeni, C, S, O. Il C organico biologico (CH2O), ha molta energia e reagisce con O2 per formare CO2, con respirazione o processo di combustione. Sono coinvolti anche microrganismi, come le alghe, che fissano C in H2O. Le alghe consumano la CO2, con un aumento di pH e precipitazione di CaCO3 (fissazione C). Gli idrocarburi (inquinanti) nel petrolio grezzo (CxH2x), con i microrganismi si hanno le rotture delle catene di idrocarburi, con la deposizione del C. Gli idrocarburi possono essere inquinati se i microrganismi sono pochi, ma sono una fonte utile per eliminarli (biodegradazione). Dalle riserve di CaCO3→HCO3- quando la CO2 reagisce con CaCO3. In atmosfera la CO2 è fissata dalla fotosintesi e il C organico è rilasciato in CO2.

Ciclo dell'ossigeno

È generalmente presente in tutti comparti ambientali, ma la riserva naturale è l'atmosfera. O2 è quello più importante anche per la formazione di H2O. È presente nei composti organici e inorganici. In atmosfera lo ritroviamo come O2, prodotto da due processi di reazione:

• Fotosintesi
• Fotolisi H2O

Negli strati dell'atmosfera, l'O2 si trasforma in O3 in grado di schermare le radiazioni UV (200-310 nm).

Ciclo dell'azoto

È a controllo essenzialmente biologico. L'azoto è presente in varie forme (N2, NO2-, NO3-, NH3, NH4+, N-organico, ecc.) in tutti i comparti ambientali, ma, poiché la sua riserva principale è l'atmosfera, il suo ciclo è prevalentemente gassoso. Si può avere fissazione N→NH3. Fissazione naturale: riduzione assimilativa (idro). La fissazione ha una forte energia che permette la rottura dei legami di N2. N reagisce con O→ Nox o NH3.

Fissazione biologica

L'azotofissazione avviene grazie alla nitrogenasi, un enzima che rompe i legami di N, formando NH4+.

Ciclo biologico dell'azoto

Sequenza complessa di trasformazioni chimiche che trasformano N in composti organici e inorganici.

• Batteri fissatori
• B. nitrificanti
• B. denitrificanti

Ciclo del fosforo

Il fosforo ha come riserva principale la pedosfera o suolo, per questa ragione il suo ciclo è sedimentario. In superficie, il P è solubile in H2O ritornando sotto forma di sedimento. Nella pedosfera, il P ritorna alla terra mediante le piante ed animali morti. Nelle piante il P è organicato; è abbondante anche nei crostacei e nei pesci di colore rosa. Il P lo ritroviamo soprattutto nei fertilizzanti e in questo caso è solubile.

Ciclo dello zolfo

Ciclo geochimico dello zolfo

• Industrie
• Corrosione minerali
• Eruzioni vulcaniche

Ciclo dell'acqua

In questo ciclo non intervengono processi chimici e/o biologici di trasformazione ed è dovuto essenzialmente all'energia solare che determina tutti i fenomeni meteorologici nel pianeta. L'acqua utilizzata dall'uomo è principalmente acqua dolce superficiale o sotterranea. Il principale problema relativo alla disponibilità dell'acqua sta nella sua distribuzione non uniforme nello spazio (diverse regioni del mondo) e nel tempo (diverse stagioni).

Studio dell'acqua

• Idrologia: si occupa delle acque dolci + caratteristiche chimico-fisiche.
• Oceanologia: delle caratteristiche chimico-fisiche degli oceani.

Le acque dolci disponibili sono solo 0.3-0.6%.

Proprietà dell'acqua

H2O è una molecola polare e scioglie i sali e i composti ionici in quanto idrata gli ioni sia positivi che negativi. H2O forma legami a idrogeno tra molecole di acqua e molecole di soluto contenenti: O, N, H (anche sospensioni colloidali).

• Solvente → trasporta delle sostanze nutrienti, permettendo i processi biologici.
• Costante dielettrica → è la più alta di tutti i liquidi. Permette di misurare il trasporto degli ioni.
• Tensione superficiale → è un equilibrio che si forma tra le molecole in superficie e quelle in fase di vapore. In tensione superficiale, l'H2O forma una goccia sferica.
• Trasparente, visibile, determinata → permette processo fotosintetico perché la luce lo attraversa.
• È max a 4°, permettendo il galleggiamento del ghiaccio.
• Calore di evaporazione → energia per fare una transizione di fase. Nell'H2O è alto e questo porta a un'evaporazione più difficoltosa.
• Calore latente di fusione → è il più alto (dopo NH3). Stabilizza la temperatura di massa dell'H2O e impedisce i bruschi cambi di temperatura.
• Capacità termica → trasferimento del calore. Permette di avere sbalzi di temperatura sugli organismi.

Corpi d'acqua

Acque superficiali: fiumi, laghi, paludi (H2O poco profonde dove si hanno piante con radici anch'esse poco profonde), estuari (insenature dove avviene il miscelamento delle H2O dolci e salate). Le condizioni fisiche di un corpo d'acqua influenzano notevolmente i processi chimici e biologici. Il mescolamento condiziona le piante e la fauna marina. Nei laghi si hanno 3 zone, dove durante l'estate la parte superficiale viene riscaldata e la diminuisce e si formano delle stratificazioni (stratificazioni H2O superficiale).

Zone dei laghi

• Epilimnio → parte superficiale, è illuminata e porta alla formazione delle alghe. Se c'è surriscaldamento avviene l'aumento dell'O2, perché va ad aumentare la capacità fotosintetica.
• Termoclino → è la parte intermedia che separa le 2 zone.
• Ipolimnio → parte più profonda, dove si hanno le temperature più basse (H2O fredda, più densa). In autunno la parte dell'epilimnio si raffredda e raggiunge le stesse temperature di ipolimnio, per via del mescolamento. Tale processo si chiama overturn (inversione). Ciò può avvenire anche in primavera. Le caratteristiche chimico-fisiche diventano uniformi e non c'è più la stratificazione.

Biota

Gli organismi viventi in un ambiente acquatico possono essere classificati come:

• Autotrofi: utilizzano energia solare o chimica per fissare gli elementi (presi da fonti inorganiche come CO2, nitrati, fosfati) nelle biomolecole.
• Eterotrofi: utilizzano per la sintesi della propria biomassa le molecole organiche prodotte dagli autotrofi.

Gas in acqua

Solubilità di un gas in acqua: legge di Henry che ci dice che la solubilità è proporzionale alla pressione parziale di quel gas a contatto con il liquido.

O2: per la vita dei pesci.

Ossigeno elementare presente, in maggiore quantità, nell'atmosfera quindi importante per l'acqua riossigenarsi per contatto. Le alghe producono ossigeno nella fotosintesi ma poi lo consumano la notte durante i loro processi metabolici.

CO2

Importante per la fotosintesi delle alghe. È il più importante acido debole in acqua. La presenza di anidride carbonica in acqua è una delle cause dell'acidità per le acque naturali.

Acidità e alcalinità

Acidità: capacità di neutralizzare OH-.

Alcalinità: capacità di neutralizzare H+.

Le acque naturali sono generalmente alcaline; acidità spesso indice di inquinamento.

Acidità: generalmente dovuta ad acidi deboli (CO2, H2PO4-, H2S, proteine, acidi grassi e ioni metallici acidi come Fe).