Chimica dell'ambiente

AMBIENTALE

La terra, con un'atmosfera contenente il 21% di ossigeno e una temperatura tale da tenere liquida l'acqua è un ambiente unico rispetto agli altri pianeti.

• è un sistema chiuso, non scambia materia, ma solo energia con l'esterno. L'attività biologica grazie all'input di energia solare fa circolare tra il terreno (litosfera), le acque (idrosfera) e l'atmosfera gli elementi chimici in cicli biogeochimici globali, che per milioni di anni si sono trovati in uno stato stazionario.

La terra, come molti altri pianeti del sistema solare, ha un sistema a INVOLUCRI CONCENTRICI, di diversa natura e spessore:

• crosta e' un involucro rigido il cui spessore varia da una media di 35 Km sotto i continenti, a una media di 6-7 Km sotto i fondi oceanici. La crosta oceanica è composta da rocce di rappresentazione mafica a base di silicati di alluminio. La crosta continentale e' più spessa, meno densa ed e' composta da rocce felsiche contenenti silicati di sodio, potassio e alluminio, come il granito.
• mantello si estende fino ad una profondità di 2890 km, esso è spesso lo strato più spesso della terra - esse e' composta da rocce di silicati che sono più ricche in ferro e magnesio; rispetto alla sovrastante crosta.
• nucleo ha un raggio di 3470 km, più della metà di quello terrestre. I dati sismici indicano che il materiale della parte più esterna del nucleo ha le caratteristiche di un fluido. A 5140 km di profondità si incontra la discontinuità di Lehmann, che indica il passaggio a un nucleo più interno, solido. Il nucleo probabilmente e' metallico, formato soprattutto da ferro e nichel.

CICLI BIOGEOCHIMICI

e' l'insieme di meccanismi con i quali un elemento o una molecola viene scambiato fra i vari comparti della terra, biotici (biosfera) e abiotici (litosfera, atmosfera, idrosfera). Il termine ciclo indica che dopo una serie di trasformazioni l'elemento ritorna al punto iniziale per essere nuovamente riciclato. Il termine biogeochimico indica che sono compresi fattori biologici, geologici e chimici.

Un ciclo biogeochimico e' composto da FLUSSI fra i vari comparti e RISERVE (pools) in cui l'elemento e' conservato per periodi di tempo lunghi.

Cicli di tipo gassoso, le riserve principali sono nell’atmosfera e negli oceani (parte veloce del ciclo del carbonio e ciclo dell’azoto). Reintroduzione veloci e ben tamponati Cicli di tipo sedimentario, le riserve principali si trovano nella crosta terrestre (fosforo, ferro). Riserve relativamente immobili, tempi lunghi per assorbire perturbazioni.

• Terra sistema chiuso per fuga di materiale trascurabile a causa della gravità, eccetto per atomi di H e He

E’ scomparso quasi del tutto dall’atmosfera, attuali riserve sono nel sottosuolo, formatesi per decadimento α di elementi radioattivi.

• Composizione media della terra praticamente invariata nei componenti principali sin dall’origine Terra, 4,5 miliardi di anni

Definizioni:

Litosfera La parte esterna, più consistente della terra, comprendente la crosta e parte del mantello superiore (fino a una profondità di 100 km). E’ composto per il 95% da rocce ignee e per il 5% da rocce sedimentarie e metamorfiche. Atmosfera se trascuriamo il vapore acqueo, sempre presente ma in quantità variabile, i principali costituenti dell’atmosfera terrestre non inquinata sono l’azoto elementare (N₂, pari a circa il 78% di tutte le molecole presenti), l’ossigeno elementare (O₂, ~ 21%.) , l’argon (Ar, Δ 1%) e l’anidride carbonica (CO₂ attualmente circa lo 0,04%). Pedosfera Biosfera La parte più superficiale della litosfera, suolo terrestre Compreso delle zone solide, liquide, gassose della terra in cui è possibile lo sviluppo della vita Idrosfera

Impatto della società umana

Prima dell’era industriale i cicli biogeochimici e i vari macrocomparti ambientali erano caratterizzati da uno stato stazionario caratterizzato da SOSTENIBILITA: equivalenza tra risorse prodotte e consumate, assenza di accumuli di rifiuti; biodiversità OGGI —> la specie umana è in una situazione di esplosione demografica, centralizza circa il 40% della produzione primaria nella sue terre emerse (sfruttamento suolo) e utilizza l’8% della produttività dei mari. occupa il suolo, deforesta Utilizza combustibili fossili e materie prime che altrimenti riamarrebbero sicuramente intatte su scale di tempi di millenni

Il CaCO₃ che si forma precipita e si deposita nei fondali oceanici dove va a costituire strati di rocce sedimentarie (calcare).

Negli oceani attuali la maggior parte del CaCO₃ si forma per azione degli organismi calcificatori (es. coralli) e del plankton.

Dopo la morte, i resti di questi organismi sedimentano sui fondali. Le pressioni e temperature dei fondali cementano questi sedimenti in rocce sedimentarie (calcare e derivati).

Il ciclo lento restituisce il carbonio all'atmosfera attraverso i vulcani. Le terre emerse e i fondali oceanici sono costituiti da placche tettoniche che si muovono sul mantello. Dove le placche vanno a finire sotto l'altra e in queste le rocce sedimentarie subiscono fusione a causa delle elevate pressioni e T. Le rocce ricadute ricombinano in minerali silicati, su cui la silice sostituisce i carbonati restituendo CO₂.

Attraverso le eruzioni vulcaniche la CO₂ degassa dalla crosta e viene restituita all'atmosfera. Un altro effetto delle eruzioni è quello di coprire il terreno con rocce silicate fresche, ed il ciclo di disaggregazione atmosferica ricomincia. Attualmente i vulcani emettono fra 130 e 380 milioni di tonnellate di CO₂ l'anno. Le attività antropogeniche emettono 30 GT di CO₂ l'anno.

• Reazioni di disaggregazione atmosferica delle rocce
• Reazioni degli alluminio-silicati
  • (albite) 2NaAlSi₃O₈ + 2H₂CO₃ → 2 Na⁺ + 2HCO₃⁻ + Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 2SiO₂
  • (mica) 3KAlSi₃O₈ + 2H₂CO₃ + 3H₂O → 2K⁺ + 2HCO₃⁻ + KAISi₃AlO₁₀(OH)₂ + 6SiO₂
  • (anortite) CaAl₂Si₂O₈(OH)₄ + 2H₂CO₃ + H₂O → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻+Al₂Si₂O₅(OH)₄
  • (gibbsite) 3Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 3H₂O → 6 Al(OH)₃ + 6SiO₂
  • (caolinitica) KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ + 2H₂CO₃ + 3H₂O → 2K⁺ + 2HCO₃⁻ + Al₂Si₂O₅(OH)₄
• Dissoluzione dei carbonati di calcio (calcite e dolomite)
  • CaCO₃ + 2H₂CO₃ → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻
  • CaMg(CO₃)₂ + 2H₂CO₃ → Ca²⁺ + Mg²⁺ + 4HCO₃⁻
• Reazioni di ossidazione
  • (biotite) FeSiO₃ + 2H₂CO₃ + H₂O → Fe²⁺ + 2HCO₃⁻ + H₄SiO₄
  • (lematite) 2Fe²⁺ + 4HCO₃⁻ + 1/2 O₂ → Fe₂O₃ + 4CO₂ + 2H₂O
  • (pirite) 4FeS₂ + 15O₂ + 8H₂O → 2Fe₂O₃ + 8H₂SO₄ + 8H⁺

Le reazioni di dissoluzione dei carbonati e molte reazioni di disaggregazione degli alluminio-silicati portano alla formazione.

P_h = pressione all'altezza h (in Pascal)

P₀ = pressione a livello del mare (101325 Pa)

M = peso molecolare medio dell'atmosfera (28,97 nella troposfera) - come si calcola?

h = altitudine in metri

R = costante dei gas (8,314 J · mole^-1)

T = temperatura assoluta in K (media a livello del mare 288 K, 15°C)

g = accelerazione di gravità (9,81 m/s²)

Il fattore 2,303RT/Mg vale 19400 m, ovvero 19,4 km, questa è l’altitudine alla quale la pressione si è ridotta di un decimo rispetto a quella a livello del mare (circa 0,1 atm, circa 10300 Pa).

Il grafico del logPh in funzione dell’altitudine dovrebbe essere lineare, in realtà si hanno delle deviazioni perché l’equazione barometrica ipotizza una temperatura costante lungo tutta la massa di gas. In realtà nell’atmosfera si hanno delle forti escursioni termiche in funzione dell’altitudine.

La variazione di T sono provocate principalmente dall’assorbimento della radiazione elettromagnetica (solare o termica riemessa dalla terra).

Il forte riscaldamento che si ha fra 20 e 50 km (stratosfera) è dovuto all’assorbimento della porzione UV della radiazione solare entrante da parte dello strato di ozono.

La troposfera invece si riscalda con un meccanismo completamente diverso (effetto serra), ovvero assorbendo la radiazione IR emessa dalla superficie ed esercitata riscaldata dalla porzione visibile della radiazione solare. Il massimo di emissione di radiazione termica, o di corpo nero, è a 15°C. Si ha a 11 km, dove sia CO₂ assorbono fortemente.

La direzione di emissione è OPPOSTA a quella della radiazione solare entrante, per cui la troposfera ha la sua max temperatura (15°C in media) a livello del mare e il minimo fra 10 e 15 km (anche con la tatosfera, -56°C).

Il profilo di T dell’atmosfera fa sì che questa sia suddivisa in STRATI, che si mescolano poco fra loro se non in condizioni particolari.