Chimica ambientale

Fondamenti di chimica dell'ambiente

La chimica ambientale è una chimica interdisciplinare, riguarda molti aspetti della chimica: lo studio della chimica dell'atmosfera (chimica radicalica basata sulle specie reattive all'ossigeno), la chimica tossicologica (importante per i danni che crea per la salute umana), la radiochimica (radioisotopi, es. inquinamento da radon, gas radioattivo prodotto dal decadimento dei nuclidi della famiglia dell'uranio che passa in atmosfera → esposizione umana), la chimica del mare (controllo della concentrazione di CO₂ atmosferica), la chimica delle reazioni di combustione, la chimica dei cambiamenti climatici, l'astrochimica (confronto dei processi chimici che avvengono sulla Terra e su pianeti diversi dalla Terra), la biogeochimica (studio dei flussi degli elementi nei comparti ambientali), la chimica della Terra (geochimica), la chimica delle trasformazioni energetiche, in particolare alle combustioni (controllo di emissioni di gas inquinanti nell'atmosfera).

La Terra dal punto di vista astronomico è un pianeta unico, ha un'atmosfera che contiene circa il 21% di O₂ in volume (composizione unica rispetto alle altre atmosfere planetarie, che non contengono ossigeno); inoltre la composizione dell'atmosfera è controllata dai processi biologici (es. fotosintesi clorofilliana). Per raggiungere questo livello di ossigeno in atmosfera ci sono voluti 3 miliardi di anni (togliendo completamente l'ossigeno dall'atmosfera le piante necessiterebbero di circa 5 mila anni per ricomporre la composizione atmosferica attuale). Questo lungo periodo è associato a una serie di cambiamenti avvenuti sulla superficie terrestre, prima tutti i processi erano anaerobi e tutti gli elementi erano in uno stato ridotto, quando l'ossigeno è stato liberato nell'atmosfera è stato consumato per i processi di ossidazione.

Nella Terra primordiale l'ossigeno era presente come carbonato (ossidazione di C) → la presenza della vita sulla terra controlla le trasformazioni di composti presenti sulla superficie (atmosfera) e sui primi strati della crosta terrestre (50 km circa), quindi le condizioni chimiche. La Terra scambia pochissima materia con l'esterno, ma scambia molta energia → sistema chiuso, circa 1000 W/m² di radiazione solare che colpisce la Terra. L'attività biologica grazie a questa energia controlla le condizioni chimiche, cioè fa circolare gli elementi chimici nei cicli biogeochimici globali per un sacco di tempo si sono trovati in uno stato stazionario.

Gli atomi leggeri (H e He) hanno una velocità di agitazione termica maggiore della velocità di fuga → la gravità non riesce a trattenerli quindi vengono immessi nell'atmosfera. Se l'H₂O fosse tutta in stato gassoso la gravità non sarebbe in grado di trattenerla (ciò che è successo a Venere che ha una temperatura superficiale di 350°). L'elio primordiale è tutto evaporato dall'atmosfera, ma l'elio continua a formarsi ed è trattenuto da rocce impermeabili (giacimenti di petrolio e gas naturale). Le riserve di elio si formano per decadimento di elementi radioattivi: l'He è un elemento alpha. L'input di materia sulla Terra è trascurabile rispetto alla massa terrestre, è dovuto a meteoriti e polvere cosmica.

La composizione media della Terra è praticamente invariata dalla sua formazione, gli elementi si muovono tra i vari compartimenti di cui la Terra è composta. La dinamica dei cicli biogeochimici sono descrivibili con modelli a box (da cui si ricavano i tempi di semivita degli elementi nei vari comparti).

NB: la costante del moto della Terra è il momento angolare globale. Lo scioglimento dei ghiacci polari significa uno spostamento di massa dai poli verso l'equatore → aumento del momento di inerzia del pianeta → cambiamento nel periodo di rotazione terrestre (si rallenterebbe la rotazione su se stessa della Terra).

Struttura della Terra

La massa totale terrestre è distribuita su un nucleo metallico (costituito soprattutto da Ni e Fe) e il resto degli elementi distribuiti secondo la densità sulla e nella crosta terrestre, che si suddividono in mantello (parte intermedia) e crosta terrestre. La densità media della Terra è molto maggiore rispetto agli altri pianeti del sistema solare (pianeti giganti hanno densità di circa 1 → quasi tutti gli elementi si trovano in stato gassoso, infatti sono definiti giganti gassosi). La temperatura media superficiale è di 288K, cioè circa 15°C. In media la Terra irradia 87mW/m² di energia verso l'esterno. L'energia irradiata dal Sole verso la Terra (costante solare) è circa 1400 kW/m², convertendo al 100% l'energia che deriva dal Sole avremmo moltissima energia in eccesso, supererebbe la domanda energetica attuale.

La Terra è costituita da un nucleo centrale, costituito da una lega di ferro e nichel, che si divide in un nucleo interno solido (circa 1200 Km) e un nucleo esterno liquido (leggermente meno denso del ferro, 2270 Km); poi c'è il mantello suddiviso in interno ed esterno (studiato tramite la propagazione delle onde sismiche: le onde sismiche vengo rifratte dalle discontinuità tra gli strati), il mantello è prevalentemente costituito da silicati; infine la parte più esterna è la crosta terrestre.

La crosta terrestre è costituita quasi interamente da elementi leggeri, l'ossigeno è il più abbondante e rappresenta circa la metà della massa della crosta (combinato con altri elementi → la crosta terrestre e il mantello sono le principali riserve di O₂). L'ossigeno è presente sotto forma di ossidi e silicati (di Al, Ca, Mg, Na, K e Fe). Si (25%), Al, Fe, Ca, Mg, K e Na costituiscono quasi il 99% del materiale crostale assieme all'ossigeno. Il C ha una percentuale nella crosta terrestre di circa 0.02% (le stime vanno fino al 2%).

Tutte le attività antropogeniche si basano sullo sfruttamento di materie prime, per evitare che non si esauriscano è necessario che tutti i processi siano costruiti utilizzando risorse ampiamente disponibili, come alluminio e ferro (metalli). Non è detto che tutta la percentuale di un elemento presente sulla crosta terrestre sia sfruttabile come risorsa; vengono considerate risorse di un composto la parte che è possibile estrarre (sostenibile sia economicamente che energeticamente). Inoltre, un elemento presente in basse concentrazioni sulla crosta terrestre può essere sfruttato, ma deve essere reso riciclabile per evitare che si esaurisca.

Le terre rare sono usate per creare campi magnetici permanenti molto potenti → le terre rare sono rare, stare attenti a non finirle. Gli elementi più abbondanti sulla Terra sono quelli che seguono l'abbondanza cosmica (distribuzione dei vari elementi nel sistema solare, ma riflette anche la distribuzione nell'universo): l'H₂ è l'elemento più abbondante (combustibile del sole) gli elementi a numero atomico pari sono più abbondanti rispetto a quelli a numero dispari, perché il mattone fondamentale della nucleosintesi che avviene nelle stelle (solo lì ci sono temperature necessarie per la fusione nucleare) è l'elio → tutti gli elementi pari sono più abbondanti perché possono essere creati dall'elemento precedente per fusione con un atomo di elio.

Il processo di fusione nucleare con l'atomo di H è sfavorito perché mancano neutroni, il collante che tiene assieme i nuclei atomici. Il ferro ha un massimo relativo di abbondanza tra gli elementi pesanti. Le basse abbondanze relative si possono spiegare con il fatto che ci sono configurazioni nucleari stabili e meno stabili (governate dalle leggi della meccanica quantistica) → alcuni nuclei sono poco stabili, quindi sono poco abbondanti. Il ferro è il nucleo più stabile che esiste nell'universo, per questo ha un massimo relativo. Il ferro ha il difetto di massa maggiore (Δ nucleoni - nucleo) → la morte termica dell'universo è la conversione totale dell'H in Fe. Oltre al bismuto i nuclei non sono più stabili, perché l'interazione nucleare forte (che tiene assieme protoni e neutroni) ha un raggio d'azione basso (approssimabile al raggio del nucleo di bismuto) quindi le dimensioni dei nuclei successivi sono troppo elevate per poter stare assieme → gli atomi tendono a decadere, quindi sono poco abbondanti.

Cicli biogeochimici

Cicli biogeochimici = insieme dei meccanismi con i quali un elemento o una molecola vengono scambiati fra i vari comparti del pianeta, biotici e abiotici. È un ciclo perché implica che dopo una serie di trasformazioni l'elemento torna nel suo stato iniziale. Es. ciclo veloce biogeochimico del carbonio: il C viene fissato dall'atmosfera tramite la fotosintesi → passa dall'atmosfera alla biosfera alla biomassa e viene rilasciato in atmosfera dalla respirazione cellulare.

Un ciclo biogeochimico può comprende una componente geochimica (lenta, coinvolge i carbonati) e una veloce (coinvolge la biosfera e l'atmosfera). Un ciclo biogeochimico è composto da flussi tra i vari comparti, che sono causati da fattori biologici (la fotosintesi crea un flusso di C tra atmosfera e biosfera) oppure da fattori chimici o geologici (le emissioni vulcaniche trasferiscono il C dalla litosfera all'atmosfera sotto forma di CO₂).

Inoltre un ciclo biogeochimico comprende delle riserve dove l'elemento è conservato per periodi di tempo più o meno lunghi (gli oceani sono una riserva di acqua, l'atmosfera è riserva di azoto…). I più importanti cicli sono quelli dei nutrienti (C, N, P e O) → costituenti della biomassa, e il ciclo idrologico (ciclo dell'acqua). I cicli biogeochimici si distinguono in gassosi e sedimentari; gassosi: sono quelli in cui le principali riserve sono nell'atmosfera e negli oceani (il ciclo veloce del carbonio è un ciclo gassoso). Sono relativamente veloci (tempi di vita dell'elemento in una riserva sono bassi) e sono ben tamponati: se avviene una perturbazione nel ciclo, essa viene riassorbita velocemente (autoristabilimento delle condizioni di stato stazionario dopo una perturbazione).

Sedimentari: sono quelli in cui le riserve principali sono nella crosta terrestre (ciclo del fosforo, ciclo del ferro). Sono relativamente immobili (le cinetiche delle reazioni in fase condensata sono molto più lente delle cinetiche delle reazioni in fase gassosa) → i tempi di residenza di un elemento in una riserva sono molto elevati; inoltre, questi cicli hanno bisogno di tempi lunghi per assorbire le perturbazioni.

Molti cicli biogeochimici sono accoppiati tra loro, in particolare i cicli dei nutrienti; se manca un elemento anche gli altri cicli vengono rallentati (pensa alla crescita delle piante). I cicli dei metalli essenziali (come il ferro) sono accoppiati con i cicli dei nutrienti. Sono accoppiati anche i cicli geochimici (es. ciclo dei silicati).

Litosfera = strato più esterno della crosta terrestre (20-30km); Pedosfera = prima parte della litosfera, superficie che è stata erosa da processi idrometeorici e dall'attività biologica → parte di litosfera che dà supporto alla vita vegetale e batterica (suolo); Atmosfera = strato gassoso che circonda la Terra (il gas è trattenuto per gravità); Biosfera = insieme degli organismi viventi; Idrosfera = insieme di tutte le acque, comprese anche le acque di falda (non solo le acque emerse).

NB: l'atmosfera è il comparto ambientale più dinamico.

La Terra può essere considerato un sistema termodinamico chiuso, c'è scambio di energia → c'è una continua immissione di energia solare che, tramite la biosfera (organismi autotrofi = produttori primari), grazie alla fotosintesi (che utilizza gli elementi dei cicli biogeochimici dei nutrienti), viene trasformata in energia chimica producendo biomassa (proteine, carboidrati…).

L'energia immagazzinata nella biomassa prodotta dagli organismi primari (piante verdi) può essere consumata dagli organismi eterotrofi (es. umani). Sia i produttori primari che i secondari producono biomassa morta, che viene riciclata dagli organismi decompositori (batteri del suolo) → rimineralizzazione = reintroducono le vitamine e tutto ciò che è stato sfruttato nella biomassa (ad esempio il C → CO₂, N → ammonio → nitrato, N₂) producendo nuove riserve.

Le riserve (inorganiche) di questi elementi nutrienti vengono riutilizzate dai produttori primari, da cui riinizia il ciclo. Questo è un ciclo biogeochimico in generale. Prima dell'era industriale i cicli biogeochimici erano caratterizzati da uno stato stazionario caratterizzato da sostenibilità = eguaglianza dinamica fra risorse prodotte e risorse consumate, assenza di accumuli di rifiuti. Ad esempio un rifiuto delle piante verdi è l'ossigeno molecolare, che è una risorsa fondamentale per gli organismi eterotrofi → respirazione cellulare (serve per produrre energia per il sostegno dei processi vitali). Nella sostenibilità deve essere compreso il concetto di biodiversità.

Oggi siamo in una situazione in cui la specie umana è in fase di esplosione demografica, la specie umana controlla circa il 40% della produzione primaria netta (= produzione di biomassa da parte degli organismi fotosintetici) sulle terre emerse. Inoltre, sfrutta circa l'8% della produttività dei mari. La specie umana sfrutta combustibili fossili e materie prime (minerali) che altrimenti rimarrebbero inalterati per milioni di anni.

Se in un dato ecosistema c'è una specie che sta affrontando una crescita esponenziale → un effetto sarà un decadimento esponenziale demografico di quella stessa specie; questo perché in un ecosistema la crescita di una specie significa l'utilizzo delle risorse che la specie consuma, di conseguenza dato che le risorse sono limitate la specie deve diminuire; uno dei paradigmi della società umana è la crescita continua, su cui si basano tutte le teorie economiche.

Nell'era industriale e post industriale il progresso scientifico (quindi tecnologico) ha portato al miglioramento della qualità della vita umana, ma con un consumo intensivo di energia; in particolare il processo principale di produzione di energia è quello che sfrutta l'energia chimica immagazzinata in combustibili fossili, tra l'altro utilizzando processi poco efficienti. Ad esempio: la macchina a vapore durante la rivoluzione industriale ha soppiantato il lavoro dell'uomo, essa è composta da un motore termico a combustione esterna (anche se ora le nostre macchine sono macchine termiche a combustione interna, che trasformano il calore in lavoro), ma dalla termodinamica ci ricordiamo che non tutto il calore può essere trasformato in lavoro (2º principio della TD), la massima resa di un motore termico è quella di un ciclo di Carnot che lavora tra due temperature. Questo significa che su 100 litri di benzina che un motore termico brucia solo 30 sono usati per produrre moto (lavoro), gli altri sono rilasciati in atmosfera come calore. Trasformando l'energia chimica contenuta nei carburanti in lavoro (senza utilizzare un motore termico) l'efficienza sarebbe elevata (dal 30 → 70,80%).

I motori più efficienti, sotto questo punto di vista, sono quelli elettrici (le pile elettrochimiche trasformano energia chimica in energia elettrica, senza passare attraverso la produzione di calore). Una pila a combustibile trasforma l'energia chimica del combustibile in energia elettrica che poi può essere trasformata in energia elettrica da un motore elettrico, ma è un processo troppo costoso. Il prototipo più semplice di pila a combustibile è quella H₂/O₂ con formazione di acqua all'elettrodo, senza combustione.

Oltre all'utilizzo intensivo di energia, facciamo un grande uso di materie prime (sconvolgendo molti cicli biogeochimici), produciamo composti chimici xenobiotici (= che non derivano da organismi viventi; farmaci e pesticidi, che hanno effetti a lungo termine sull'ambiente), sfruttiamo la produzione primaria netta fotosintetica per la produzione di alimenti (la produzione di alimenti è efficiente quando deriva da organismi autotrofi, vegetali: l'energia che serve per produrre quella biomassa è quella che viene fissata dalla fotosintesi. La produzione di alimenti animali è molto meno efficiente, l'inefficienza aumenta all'aumentare della posizione nella catena alimentare), occupiamo e sfruttiamo il suolo (eliminazione del suolo biologicamente produttivo) e sfruttiamo le risorse idriche terrestri (mediamente ogni uomo consuma 2000L di acqua al giorno (= 2m³), anche indirettamente → consumi nascosti. La maggior parte delle risorse idriche di cui la specie umana si appropria è utilizzata per produrre il cibo che utilizziamo).

I metaboliti finali della specie umana (i rifiuti solidi, emissioni gassose, energia degradata - inquinamento termico, acustico e luminoso - reflui acquosi, composti chimici xenobiotici - es. clorofluorocarburi) hanno una velocità di introduzione e/o persistenza nell'ambiente troppo elevata. Per queste attività stiamo superando la capacità di riciclaggio dei comparti ambientali nei cicli biogeochimici dei comparti ambientali = inquinamento locale e cambiamento globale.

Sostenibilità dello sviluppo

L'evoluzione della società umana è insostenibile se le risorse consumate dall'uomo in un dato intervallo di tempo sono maggiori delle risorse prodotte dalla Terra nello stesso arco di tempo.