Chimica ambientale - Prima parte

Corso di CHIMICA ORGANICA AMBIENTALE

Obiettivi: fornire i concetto di base per la comprensione di:

1) sorgenti, reazioni, trasporto e destino di entità chimiche nell’aria, acqua e suolo come pure i loro effetti sulla salute umana e

sull’ambiente naturale.

2) Nuovi approcci per la sintesi industriale di prodotti chimici mediante processi a basso impatto ambientale (Green Chemistry)

3) Capacità di acquisire in modo autonomo dati ed materiale scientifico da fonti bibliografiche

Programma del corso:

• Correlazione tra struttura molecolare e proprietà chimico-fisiche

• Contaminanti di origine idrocarburica, di sintesi (PCB, pesticidi, polimeri, saponi)

• Reazioni abiotiche di trasformazione e degradazione di tipo idrolitico, ossidativo e fotochimico con analisi degli aspetti

termodinamici e cinetici

• Chimica delle acque naturali e loro inquinamento

• Chimica dell’atmosfera e suo inquinamenti

• Contaminazione del suolo

• Processi di trasporto e distribuzione di specie chimiche nell’ambiente e tra i diversi comparti ambientali

• Confronto tra processi di sintesi industriale «classici» ed a basso impatto ambientale di alcuni composti

• Parametri numerici per stabilire l’efficienza di un processo chimico di sintesi (reazione ideale, efficienza atomica, environmental

factor, solventi

Saranno parte integrante del corso le ricerche bibliografiche condotto in modo autonomo da gruppi di studenti su argomenti assegnati

e pertinenti il programma del corso (didattica alternativa).

Criteri di valutazione: verrà valutata la capacità del candidato di accedere in modo autonomo alle fonti di letteratura primaria

riguardanti un problema ambientale specifico e di inquadrarlo in modo critico attraverso l’applicazione dei concetti teorici del corso.

Testi di riferimento:

• Basic Concepts of Environmental Chemistry, Des W. Connel; Lewis Publishers,

N.Y. (1997)

• Chimica dell’ambiente, Stanley E. Manhan, Ed.: Piccin (2000)

• Chimica dell’ambiente, C. Baird & M. Cann, Ed.: Zanichelli (2006)

Consiglio:

Stamparsi copia delle presentazioni del corso (non fronte-retro) e su quelle

riportare appunti; molte parti del programma verranno svolte alla lavagna!

CHIMICA

« »

• Termine coniato da Robert Boyle (1661)

• Prime correlazioni tra proprietà di composti ed elementi ed ambiente

evidenziati da Antoine Lavoisier (1743)

• Prima sintesi di un composto organico: sintesi dell’urea di Friedrich

WÖHLER (1828) e «nascita della chimica organica»

• Ricerca chimica e primo processo industriale di sintesi (a parte i

processi metallurgici): William Perkin (1838-1907)

• Sintesi dell’ammoniaca: Fritz Haber (1868-1934) che ha permesso di

industrializzare la sintesi dell’urea (fertilizzante)

Agli inizi del 1900 INIZIA L’ERA CHIMICA

• Industria dei polimeri: tessuti, isolanti, mobili,

contenitori, tubature, gomme per automobili, ecc…

• Pesticidi: erbicidi, insetticidi, fungicidi, ecc.

• Farmaci: aspirina, penicillina, vitamine, ecc.

• Fertilizzanti: aumento esponenziale della produzione

agricola

• …….

Presa di coscienza di problemi ambientali

• 1800, inquinamento del Tamigi: istituzione della «British Royal

Commission on Prevention River Pollution»

• 1872: iniziano i primi studi sulla chimica delle acque marine

• 1885: uso del BOD per valutare effetto degli scarichi della acque e

valutazione della loro qualità

• 1962: pubblicazione del primo libro (divulgativo e di denuncia) su effetti

dell’inquinamento da pesticidi Silent Spring di Rachel Carson

• 1952: M. Synge e A. Martin (Nobel) per tecniche di separazione

cromatografiche

• 1967: metodi di analisi affidabili per determinazione quantitativa di

analiti in ppm (mg/l)

CHIMICA AMBIENTALE:

Studio delle origini, reattività, trasporto e destino di

entità chimiche nell’aria, acqua, suolo (intesi come

ambiente) e loro effetti sulla salute umana ed

ambiente naturale A)Chimica fisica B)Chimica

E)tossicologia inorganica

Chimica

ambientale C)Chimica

D)biologia organica

A) Adsorbimento, passaggi di stato, meccanismi di trasporto, cinetiche, ecc.

B) Ruolo composti inorganici

C) Meccanismi di degradazione e reattività

D) Inquinamento ed ecosistemi

E) Inquinamento e salute umana

L’interdisciplinarietà di questa materia (di cui noi studieremo gli aspetti strettamente

chimici) è un vantaggio perché permette di avere una visione generale di un problema

ambientale, ma per ora la Chimica Ambientale non è ancora pienamente assurta a

disciplina chimica autocefala ed i problemi ambientali sono ancora oggi affrontati in

maniera disciplinare (il chimico per la chimica, il biologo per gli aspetti biologici, il

madico per i problemi sulla salute umana, ecc.).

Ne consegue che non c’è ancora una piena uniformità nell’uso del sist. Intenaz. Di

misura; inoltre, nei paesi anglosassoni sono ancora in uso sist. di misura non SI (once,

miglia, piede, ….)

Ciò rappresenta un elemento di confusione nell’uso dei parametri ambientali noti di

una specie chimica. Occorre fare molta attenzione all’unità di misure utilizzata per

esprimere il valore di una grandezza

Su quali basi può essere definito il concetto di

«INQUINANTE»?

• Tossicità?

• Quantità? Paracelso (1493-1541): correlazione dose/effetto

• Persistenza?

• Capacità di provocare effetti?, quali effetti?

• Dove produce i suoi effetti?, a chi li produce?

Un inquinante è una qualsiasi specie chimica che si trovi nel luogo

sbagliato in quantità sbagliata e che in quel luogo permanga per un

tempo sufficiente a provocare un effetto avverso

La risposta ad una sola delle domane precedenti NON è sufficiente; occorre

rispondere a TUTTE; da dove si parte?

Dalla lettura delle informazioni chimiche e strutturali

contenute in una specie chimica

• È un gas, un liquido o un solido?

• Dove si trova?

• Quanto ne è presente?

• Quale è la sua reattività?

• Quale è la sua tossicità?

• E’ biodegradabile?

• Ecc….

Quali sono le basi sulle quali possiamo prevedere o «immaginare» il

ruolo/effetto di un inquinante

Caratteristiche molecolari

(es. area superficiale, peso molecolare, natura dei suoi gruppi funzionali, forza dei

legami ….)

Proprietà chimico-fisiche

(es.: solubilità in acqua, tensione di vapore, punto di fusione….)

Trasformazioni e distribuzione nell’ambiente

(reattività, persistenza, bioaccumulazione…..)

Effetti biologici

(salute, effetti sulla riproduzione, squilibri nei rapporti tra specie …..)

Qualche richiamo Elettronegatività

Momento di dipolo di alcuni legami chimici di alcuni

Momento di dipolo (Debye, D) classificazione

Legame elementi

H-F 1.91 Molto polare Eleme elettron

H-Cl 1.08 Polare nto egatività

H-Br 0.80 Polare H 2.1

H-O 1.5 Polare Li 1.0

H-N 1.3 Polare Na 0.9

C-H 0.4 Poco polare K 0.8

C-Cl 0.5 Poco polare Cr 1.6

C-Br 0,4 Poco polare Fe 1.8

C-O 0.7 Poco polare C 2.5

C-N 0.2 Poco polare N 3.0

P 2.1

O 3.5

Polarità di alcuni gruppi funzionali in composti organici S 2.5

-

-COO Molto polare (ionico) F 4.0

-

-O Molto polare (ionico) Cl 3.0

4+

-NH Molto polare (ionico) Br 2.8

-COOH Molto polare

-OH Molto polare

CH in alcani, alcheni, aromatici non polare

C-Cl in alogenoalcani Poco

Le proprietà fisiche e la reattività all’interno di una determinata classe di

composti organici è funzione sia del peso molecolare che del modo con cui sono

concatenati gli atomi tra loro (struttura)

Come cambia il punto di ebollizione di alcani con differente peso molecolare

Alcano Peso molecolare Momento di dipolo della Punto di ebollizione (°C)

molecola

Metano 16 0 -164

etano 30 0 -88

Propano 44 0 -42

Butano 58 0 0

Decano 146 0 +174

All’aumentare del peso molecolare aumentano sia il punto di

ebollizione che di fusione perché aumenta il numero di interazioni

intermolecolari (tra the molecole)

Lo stato fisico di un composto dipende dalla differenza tra energia cinetica delle

molecole e l’energia delle interazioni attrattive intermolecolari

GAS: energia cinetica >> forze intermolecolari

LIQUIDI: energia cinetica =͂ forze intermolecolari

SOLIDI: energia cinetica << forze intermolecolari

L’energia cinetica è direttamente proporzionale alla Temperatura quindi:

Con aumento della T, transizione di fase da solido a liquido a vapore (anche da solido a

vapore nella sublimazione); s