Appunti completi Chimica dell'ambiente

CHIMICA DELL’AMBIENTE

Lezione 1 (01/10) C ’ ?

OS È LA SCIENZA AMBIENTALE

La scienza ambientale è, nel suo significato più ampio, l’insieme di interazioni che avvengono tra gli ambienti

terrestre, acquatico, vivente e antropologico. In modo più specifico, è lo studio della terra, dell’aria, dell’acqua e degli

ambienti viventi e degli effe i della tecnologia su di essi. I vari comparti sono tu i interconnessi tra loro, tu o ciò che

succede in un comparto ambientale si ripercuote sull’altro così come sulla salute umana.

E . : ci sono degli

S PRECIPITAZIONE ACIDA

inquinanti che vengono ossidati in atmosfera

per formare acido nitrico e solforico (gas

solubile in H2O), i quali hanno una

ripercussione sul suolo. Il suolo è costituto da

chelanti come acidi fulbici e carbossilici i

quali chelano il pesticida, “bloccandolo”. Se

arriva la pioggia acida e il terreno si acidifica

in maniera massiccia, si abbassa il pH della

soluzione al di so o del pka degli acidi

carbossilici, questi si protonano e liberano il

pesticida nel suolo, poi nelle falde acquifere.

Il vero inquinamento si è avuto dopo la rivoluzione industriale, dopo il 1700, con l’introduzione del carbon coke, in

Europa, America, INGHILTERRA… e si sono iniziati a rilasciare molti composti gassosi nocivi in atmosfera proprio a

causa dell’a ività industriale.

Il 50% dei VOC (volatile organic compounds) sono naturali come gli oli essenziali derivanti dai terpeni, da cui deriva la

peculiare cara eristica odorosa di rosmarino, mandarino, limone (limonene) e il 50% antropogenici come quelli

presenti nelle benzine, oltre al benzoapirene (derivante dalla combustione della carta della sigare a, cancerogeno), gas

rilasciati da traffico, camini, caldaie, i quali deviano la normale composizione dell’atmosfera.

Anche l’acidificazione dell’acqua può portare alla precipitazione di dati composti o a una loro trasformazione.

A TMOSFERA

C ’ ’ ?

OS È L ATMOSFERA

È un so ile strato di gas, manto prote ivo che alimenta e

protegge la vita.

L’atmosfera è una

 RISERVA DI GAS UTILI ALLA

, motivo per cui alimenta alla vita:

RESPIRAZIONE

presenza, infa i, N al 78.8% e O al 21%. Un altro

2 2

gas essenziale presente è la CO , perché in una

2

concezione benevola è un gas che compie la

fotosintesi e grazie ad essa, solubile in acqua con

una data costante di Henry, e alla presenza della

radiazione luminosa, si produce ossigeno per la vita.

L’ T : il vapore acqueo e la CO hanno un effe o benevolo in quanto la

 ATMOSFERA MITIGA LA DELLA TERRA 2

radiazione arriva, esce e mantiene il bilancio termico. Questo avviene perché la radiazione che arriva sulla

terra è più alta in energia di quella in uscita grazie a questi gas che la ca urano, trasformando parte della

sua energia in calore. Se non ci fosse tale ca ura e “serra” ci sarebbero sbalzi notevolissimi tra le stagioni:

grazie ai gas in stratosfera e all’effe o dell’O2 sui raggi UVC, la T dell’atmosfera viene mitigata.

L’atmosfera arriva dal livello del mare fino a 500 km nello spazio aperto. Vicino al livello del mare c’è una minor

rarefazione: fino a 7 km (dove siamo noi) ci sono molti più gas, con l’altitudine aumenta la rarefazione, ci sono sempre

meno gas e sempre meno specie chimiche a differenza di dove ci troviamo noi, dove i gas, per determinati fenomeni

fisici e chimici o semplicemente perché pesanti, ricadono.

L’ e perme e che arrivi solo visibile, vicino IR (NIR) e anche UVA

 ATMOSFERA ASSORBE LE RADIAZIONI

(filtrando UVB e UVC). Per rompere una molecola di O2 servono le UVB, non UVA

(responsabile delle sco ature immediate ma poco resistenti a differenza

delle UVB). Le radiazioni UVB sono le più pericolose, le quali sono in

grado di abbassare anche il grado della catara a fino alla cecità. Il

problema delle UVB è la ro ura dei frammenti di DNA e futura

formazione di melanomi, risultando quindi (il

CANCEROGENE

melanoma si manifesta con piccole macchie a distanza di tempo). Le

UVC sarebbero anche più pericolose ma vengono filtrate. Anche le

creme solari o altri prodo i cosmetici posseggono filtri UVB e UVC,

costituiti da particelle di biossido di titanio, sostanza avente effe o sull’albedo (rifle ività della luce), in grado quindi,

tramite la sua colorazione bianca, di rifle ere la radiazione e rimbalzarla all’indietro.

T ’ lontano dalle regioni equatoriali

 RASPORTA L ENERGIA

Funge anche da .

 VEICOLO NEL CICLO IDROLOGICO

I DROSFERA

Gli oceani costituiscono il 97% dell’acqua terrestre, l’acqua dolce è costituita sopra u o dai ghiacciai e una piccola

parte partecipa a tale ciclo. Nel momento in cui l’acqua evapora, essendo leggera, se non ci fosse l’atmosfera, finirebbe

nella troposfera. Questa presenta uno strato

( ) dove le T medie scendono a -2°: qui

TROPOPAUSA

l’acqua evaporata congelerebbe e rimarrebbe

intrappolata, ricadendo come precipitazione.

A CQUA ED IDROSFERA

L’acqua, nonostante la sua semplice formula chimica, è

una sostanza di importanza vitale. Essa copre il 70%

circa della superficie della Terra e si trova in tu e le

sfere dell’ambiente. Si trova come:



negli oceani come vasta riserva di acqua marina;

 

sulle terre emerse come acqua di superficie (laghi, fiumi);

 

nel so osuolo come falde idriche;

 

nell’atmosfera come vapore acqueo;

 

nelle calo e polari come ghiaccio.



L’acqua è una parte essenziale di tu i i sistemi viventi ed è il mezzo dal quale la vita si è evoluta e in cui esiste. La

materia e l’energia sono trasportate dall’acqua a raverso le varie sfere dell’ambiente.

L’acqua scioglie i costituenti solubili dei minerali e li trasporta fino agli oceani o li lascia come depositi minerali ad

una certa distanza dalle loro sorgenti. L’acqua trasporta il nutrimento per le piante dal suolo all’interno di esse

a raverso le radici. L’energia solare assorbita nell’evaporazione dell’acqua degli oceani 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.

Il sistema mari imo è un sistema meno modello, ha una vastità differente e anche l’inquinamento a livello marino è

meno frequente di quello di corsi d’acqua come fiumi o bacini essendo chiusi o ristre i. In un sistema chiuso come il

lago si ha il a differenza del sistema aperto. Il termoclino è uno strato di transizione in corpi idrici, che

TERMOCLINO

separa le acque superficiali più calde e meno dense dalle acque profonde più fredde e dense, mostrando un rapido

cambiamento di temperatura in un intervallo di profondità limitato: questo è il motivo per cui si a ua un

campionamento in sistemi chiusi e non mari aperti o oceani.

G EOSFERA La geosfera è la totalità della terra solida. La parte più importante è la

, che va dal livello base fino a 50-100 km di spessore, che separa i

LITOSFERA

vari orizzonti, ognuno con una cara eristica particolare. Questa fa da filtro

prima che si arrivi all’acqua di falda, usata per l’irrigazione o

l’approvvigionamento di acque. La litosfera è proprio la parte coinvolta

nei vari processi ambientali tramite il conta o con l’atmosfera, idrosfera e

biosfera.

S UOLO E GEOSFERA

La geosfera, o terra solida, è quella parte della Terra sulla quale vivono gli

esseri umani e dalla quale essi traggono la maggior parte del loro cibo, dei

minerali e dei combustibili. La scienza dell’ambiente si

interessa principalmente della litosfera, che è costituita dalla parte

più esterna del mantello e dalla crosta. La parte più importante della

litosfera dal punto di vista dell’interazione con le altre “sfere” è la

(minerali leggeri a base di silicati)

CROSTA

La parte più importante della geosfera, per la vita sulla Terra, è

il , formato dall’azione di erosione disintegrativa dei processi

SUOLO

fisici, chimici e biologici sulle rocce. Sul suolo crescono le piante

e tu i gli organismi terrestri dipendono da esso per la loro esistenza.

Il comparto più contaminato dall’inquinamento è l’atmosfera,

proprio per il rilascio di sostanze gassose, pensando non ci fosse un impa o. Per anni è stata usata come una discarica a

cielo aperto, portando a drastici interventi di inquinamento, con effe i anche negli altri comparti ambientali. Seppur il

suolo abbia tempi di penetrazione molto più lunghi, in comparti come acqua e suolo l’effe o dell’inquinamento è

immediato, mentre nell’atmosfera no, portando all’accumulo nel tempo senza che ci si accorga di nulla.

Mentre l’inquinamento nel suolo, ad esempio, rimane circoscri o (seppur penetra nelle falde acquifere), nell’atmosfera

no, molti gas vengono intrappolati nell’atmosfera creando i famosi pennacchi dell’inquinamento, cieli grigi carichi di

materiale particellare.

B IOSFERA

V ITA E BIOSFERA La biosfera è costituita da tu i gli esseri viventi. Questi organismi e gli

aspe i dell’ambiente che li influenzano sono de i , mentre le altre

BIOTICI

parti dell’ambiente sono .

ABIOTICHE

La biologia è la scienza della vita. Essa può essere studiata a livello

microscopico (cellulare e macromolecolare) e a livello macroscopico. In

quest’ultimo caso si osserva come le popolazioni di specie diverse

interagiscono tra loro e con l’ambiente (ecologia). La chimica acquatica, ad

esempio, ha effe i cruciali sulla vita dei microrganismi che vivono nell’acqua

e viceversa.

C ’

HIMICA DELL AMBIENTE

Include molti aspe i diversi (si va dalle reazioni di freons nella stratosfera all’analisi di bifenili policlorurati (PCB) nel

fondo degli oceani), la chimica dell’ambiente è definita come lo studio delle sorgenti, delle reazioni, trasporto,

effe i e destino delle specie chimiche nei vari comparti ambientali. Il chimico analitico sviluppa i metodi per

studiare non tanto gli effe i (quanto l’epidemiologo o altri studiosi di scienze ambientali), quanto i metodi per la

determinazione.

Tu o sommato, la chimica dell’ambiente non è una nuova disciplina. Inoltre, i primi lavori di chimica dell’ambiente

vennero svolti in ambiti diversi da quello chimico, da persone la cui preparazione di base non era di chimica. Con la

constatazione che i prodo i della chimica (pesticidi, detersivi, combustibili, idrocarburi alogenati, materie plastiche

ecc..) hanno causato e continuano a causare enormi danni all’ambiente, la chimica ambientale ha assunto un

ruolo sempre più importante nella società a uale per studiare nuove soluzioni eco-compatibili di produzione, metodi

per limitare i danni provocati all’ambiente e per cercare rimedi all’inquinamento.

Tali soluzioni, metodi e rimedi sono inevitabilmente di tipo chimico.

Lezione 2 (7/10)

I ’ -

L RUOLO DELLA CHIMICA ANALITICA NELL INTERPRETAZIONE QUALI QUANTITATIVA DEL

FENOMENO INQUINAMENTO

?

1. analisi qualitativa, con saggi chimici a vario livello. In chimica dell’ambiente, sapere



CHE SOSTANZA È

solo che sostanza è serve a poco, si tra erranno inquinanti che seguiranno una normativa, con limiti di legge

per cui possono essere presenti o meno. So o certe concentrazioni, raggi UV, contaminanti…non sono tossici,

al di sopra si, perciò subentra la sua quantificazione, di fondamentale importanza.

A ?

2. analisi quantitativa. ppm o ppb sono le unità



CHE CONCENTRAZIONE È PRESENTE IL MIO INQUINANTE

di misura ado ate per determinare la presenza di inquinanti nell’aria e quindi la sua qualità: dalla

concentrazione posso accertare un livello alto, basso o medio ed eventualmente prendere dei provvedimenti

ecologici.

Se non ci fosse il chimico analitico con l’analisi quantitativa, decadrebbe tu o ciò che è relativo alla chimica

dell’ambiente, così come alla meteorologia (relativa alla qualità dell’aria).

N.B: I campionamenti degli aeriformi avvengono sui camini

F ?

3. analisi degli effe i, non la svolge il chimico analitico



A MALE

D ?

4. ricerca delle sorgenti



A DOVE VIENE

C ?

5. ricerca dei rimedi, come il biorisanamento, a uato da ingegneri, chimici industriali, i



OSA SI PUÒ FARE

quali proge ano strategie alternative per rimediare a ciò che è fa o

Il chimico analitico determina all’inizio la sostanza qualitativamente e quantitativamente, poi ci saranno altre

figure come il tossicologo, ingegnere, chimico industriale, che vengono in supporto per poter determinare ad es. la

collocazione di una data fonte di inquinamento, se trasportata in un bacino acquatico dalla corrente o relativa a uno

sversamento consapevole o inconsapevole dell’industria.

La scelta del metodo dipendente da alcuni parametri fondamentali, come sensibilità, accuratezza, recupero, costo e

tempo di analisi…

Sopra u o nella chimica dei sistemi acquiferi, il campionamento deve essere rappresentativo del sistema in esame ed

è di fondamentale importanza. Bisognerà campione secondo logica, stagionalità, flussi e correnti del fiume ad es.

Tevere. Con un campionamento sbagliato inficio tu a l’analisi, in quanto fornisco un dato non veritiero e descrivente

della situazione che sta avvenendo in campo ambientale. Il Tevere è inquinato con anche contaminanti ubiquitari,

presenti anche in aria.

Es. il ß-estradiolo è uno dei contaminanti più presente in acqua,

 presenti nella pillola anticoncezionale, perciò negli scarichi

domestici. Anche la cocaina è un contaminante ubiquitario, così

come il principio a ivo dell’ibuprofene: bisognerà fare la so razione

e quindi non tenerne conto nelle analisi.

Il 90% dell’inquinamento che si ha oggi, del perché è così cambiata

l’atmosfera deriva dai combustibili fossili, petrolio carbone, gas naturali

(90%) e energia nucleare (5%). Ciò che ha sbilanciato il tu o, portando a una

situazione in cui la CO2 è presente in 420 ppm (da 350-370 ppm degli anni

2000) è il contributo antropogenico. {}

+ ↔ +

La CH2O è la materia o biomassa organica, indicata così in chimica ambiente con le parentesi graffe. Si include tu o il

materiale organico come lignina, foglie, detriti… la reazione è di equilibrio con la doppia freccia perché la reazione

avviene da sinistra a destra di giorno in presenza di luce e di no e da destra a sinistra (motivo per cui fa male dormire

in un ambiente con le piante, le usali a raggo O2 e producono CO2)

[] ≠

Tanta CO2 viene distru a durante il giorno e utilizzata per produrre O2, tanta CO2 si riforma mantenendo il bilancio

dell’equilibrio secolare. In un’atmosfera non inquinata prima della rivoluzione industriale, ciò faceva sì che si

?

mantenessero i 350-370 ppm di CO2, ad oggi invece l’equilibrio è spostato verso la CO2, PERCHÉ

Perché oltre alla biomassa naturale si devono aggiungere petrolio, benzine, quindi l’apporto antropogenico. L’uomo

nel tempo ha aggiunto alla biomassa naturale consumata dall’O2 tale contributo, ora non smaltibile dall’O2, motivo

per cui l’equilibrio è spostato verso la CO2 e l’atmosfera è quindi più inquinata.

I NQUINAMENTO

Le esigenze di una popolazione moderna, insieme al desiderio delle persone di uno standard di vita più elevato,

hanno portato ad un livello di inquinamento su scala mondiale:

Inquinamento dell’

 ACQUA

Inquinamento dell’

 ARIA

Inquinamento del

 SUOLO

Queste tre aree sono tu e collegate tra loro. Per esempio, alcuni gas immessi nell’atmosfera possono essere convertiti

in acidi forti e ricadere sulla terra come piogge acide ed inquinare l’acqua abbassandone il pH. I rifiuti pericolosi,

impropriamente scaricati e/o abbandonati, possono permeare nell’acqua di falda, che può essere utilizzata per uso

civile o immessa nei fiumi e nei laghi.

L’inquinamento di un comparto ambientale perciò si ripercuote sugli altri.

R IPARTIZIONE DI UN INQUINANTE La SO2 di per sé non è un inquinante, ma la SO2 è solubile

e va facilmente in acqua formando H2SO4.

Sono presenti circa 1.000.000 di composti nuovi all’anno tra

naturali e antropogenici (xenobiotici o natural-uguali), la

cui lista viene arricchita ogni anno di più. Più di 22 milioni

di composti chimici sono presenti nel Chemical Abstract e

100.000 sono presenti sul mercato.

Q UANDO SI È COMINCIATO A PARLARE DI

?

INQUINAMENTO

Prima era un problema so ovalutato, si pensava che se un

inquinante so ’acqua venisse diluito, nel suolo sparisse e nell’aria si volatilizzasse, ma così non era e non è tu ’ora.

Nel 1962 con il Silent Spring si parlò per la prima volta di un possibile danno all’ambiente e all’atmosfera.

I NQUINANTE

È una sostanza presente a concentrazione maggiore di quella naturale. Ciò significa che naturalmente l’inquinante

c’è in atmosfera, cioè può essere una qualsiasi sostanza presente nell’ambiente che diventa inquinante quando diventa

dannoso per l’uomo e per i suoi interessi ricreativi. Sono sostanze che quindi esistono in atmosfera come SO2, CO,

VOC (come terpeni); il problema è che quando la loro concentrazione aumenta potrebbero diventare tossici e con

cara eristiche tali da:

Alterare le condizioni ambientali e salubrità dell’ambiente.

 costituire pericolo o pregiudizio dire o o indire o per la salute dell’uomo

 comprome ere le a ività ricreative e gli altri usi legi imi dell’ambiente

 alterare le risorse biologiche e gli ecosistemi, i beni pubblici e privati



Gli inquinanti possono essere primari o secondari:

di natura vengono immessi in natura tal quale: ad es. il CO è un inquinante di natura primaria

 PRIMARIA

(deriva da combustione incompleta).

di natura derivano da una reazione tra inquinante e una molecola presente in natura, quindi

 SECONDARIA

tramite una reazione in loco.

Es. Il legame molecolare dell’O2 non si rompe con le radiazioni visibili o UVA, si spezza con UVB o UVC,

perciò non avrò mai O2 atomico: nonostante la rarefazione, non si potrebbe formare ozono tranne in una

piccola parte dove ci troviamo noi, quindi l’ozono è un inquinante secondario perché si forma tra due

molecole di O2 atomico che si incontrano o tramite lo smog fotochimico con ossidi di azoto e reazioni

fotochimiche.

L’inquinamento può essere:

Locale: sversamento locale, per es. perdita di un’industria

 Regionale

 Globale: riscaldamento e buco dell’ozono, presente in tu e le zone del mondo. A seconda della tipologia di

 inquinante e di industria, della posizione dell’equatore (l’ozono ha uno spostamento che dipende anche dalle

longitudini, ad es. al polo sud si ha la maggior deplezione annuale di ozono); l’inquinamento sarà più o meno

marcato.

C ONTAMINANTE

Il contaminante è una sostanza che comporta una deviazione dalla naturale composizione dell’ambiente, quindi

potrebbe naturalmente non esserci ma viene introdo o in maniera antropogenica (es. CFC per repellenti bombole e

spray e refrigeranti, prodo i in laboratorio): molti contaminanti non hanno riscontrato un effe o che sia davvero

dannoso sulla salute: es. i CFC non sono tossici o nocivi, gli studi lo hanno dimostrato, ma sono il motivo

dell’allargamento del buco dell’ozono. Hanno perciò determinato tale problema ambientale e inquinamento globale,

con effe o dannoso sull’uomo, cioè arrivo maggioritario dei raggi UVB sulla pelle. I contaminanti emergenti fanno

parte di questa categoria, termine introdo o 20-30 anni fa. Non ci sono dei veri e propri limiti di legge perché non si

capisce quando c’è un effe o dannoso sull’uomo, diverso dalle sostanze cancerogene e sostanze cancerogene accertate

su ambiente, uomo e animali.

Anche alcuni pesticidi, come il BTT, sono contaminanti, addiri ura cancerogeno, utilizzato per bonificare l’Africa

dalla malaria così come repellente per le mosche. Sopra u o i pesticidi usati oggi, chiamati erbicidi o inse icidi,

aiutano a preservare le coltivazioni da roditori o inse i e sono classificati come contaminanti.

I MMISSIONE DEGLI INQUINANTI

Produzione

 Trasporto

 Stoccaggio

 Impiego

 Abusi: usate sostanze illegali e rilasciate nell’ambiente



C : ?

ARATTERISTICHE DEGLI INQUINANTI COSA VA STUDIATO

Dominio di residenza: dove si forma

 Tempo di residenza τ: se in un’acqua possono avvenire facilmente reazioni di trasformazione di inquinanti

 tramite l’azione ba erica, quanto può il prodo o di tali reazioni rimanere nell’ambiente? La molecola viene perciò

trasformata e si può studiare insieme ai suoi metaboliti.

Es. i CFC nonostante non siano contaminanti topici, il loro tempo di residenza nell’atmosfera è anche di 300 anni. Sono

stati banditi con il Protocollo di Montreal, non vengono prodo i e rilasciati ma ancora oggi sono presenti

nella nostra atmosfera.

Carico: da camini, inceneritori… bisogna capire la capacità di flusso e carico con la quale fuoriescono e

 vengono rilasciati.

Flusso.

 L A MATERIA E I SUOI CICLI

La maggior parte dei cicli biogeochimici può essere descri a come cicli elementari in cui sono coinvolti gli elementi

nutritivi: riguardano C, O, N, P e S.

I cicli comprendono le rocce del so osuolo di vario tipo, quindi apparterranno ad essi S e P (non

 ENDOGENI

possiede componenti gassose);

i cicli comprendono le componenti dell’atmosfera C, O, N.

 ESOGENI

Nonostante in aria sia presente SO2, S &egr