CHÉMIA ŽIVOTNÉHO PROSTREDIA: ŠTUDIJNÝ ODBOR A APLIKÁCIE - PROSTREDIE - 2026

Environmentálne chémie študuje chemické procesy, ktoré sa odohrávajú na úrovni životného prostredia. Je to veda, ktorá aplikuje chemické princípy na štúdium environmentálnych vlastností a vplyvov spôsobených ľudskou činnosťou.

Okrem toho environmentálna chémia navrhuje techniky prevencie, zmierňovania a nápravy existujúcich environmentálnych škôd.

Obrázok 1. Schéma suchozemskej atmosféry, hydrosféry, litosféry a biosféry. Zdroj: Bojana Petrović, z Wikimedia Commons

Chémia životného prostredia sa dá rozdeliť do troch základných odborov, ktoré sú:

1. Environmentálna chémia atmosféry.
2. Environmentálna chémia hydrosféry.
3. Pôdna chémia životného prostredia.

Komplexný prístup k environmentálnej chémii si okrem toho vyžaduje štúdium vzájomných vzťahov medzi chemickými procesmi, ktoré sa vyskytujú v týchto troch kompartmentoch (atmosféra, hydrosféra, pôda) a ich vzťahov s biosférou.

Environmentálna chémia atmosféry

Atmosféra je vrstva plynov, ktorá obklopuje Zem; predstavuje veľmi komplexný systém, kde sa teplota, tlak a chemické zloženie menia s nadmorskou výškou vo veľmi širokých rozsahoch.

Slnko bombarduje atmosféru žiarením a vysokoenergetickými časticami; táto skutočnosť má veľmi významné chemické účinky vo všetkých vrstvách atmosféry, ale najmä v hornej a vonkajšej vrstve.

-Stratosphere

Vo vonkajších oblastiach atmosféry sa vyskytujú fotodisociačné a fotoionizačné reakcie. V oblasti s výškou od 30 do 90 km meranou od zemského povrchu je vo stratosfére vrstva, ktorá obsahuje hlavne ozón (O ₃ ), nazývaný ozónová vrstva.

Ozónová vrstva

Ozón absorbuje vysoko-energetické ultrafialové žiarenie, ktoré vychádza zo slnka, a ak by neexistovalo pre túto vrstvu, nemohli prežiť žiadne známe formy života na planéte.

V roku 1995 získali atmosférickí chemici Mario J. Molina (Mexičan), Frank S. Rowland (Američan) a Paul Crutzen (Holanďan) Nobelovu cenu za chémiu za výskum v oblasti deštrukcie a vyčerpania ozónu vo stratosfére.

Obrázok 2. Schéma vyčerpania ozónovej vrstvy. Z nasa.gov

V roku 1970 Crutzen ukázal, že oxidy dusíka ničia ozón katalytickými chemickými reakciami. Molina a Rowland následne v roku 1974 ukázali, že chlór v zlúčeninách chlórfluórovaných uhľovodíkov (CFC) je tiež schopný ničiť ozónovú vrstvu.

-Troposphere

Atmosférický vrstva v blízkosti zemského povrchu, medzi 0 a 12 km vysoko, nazýva troposféra, sa skladá hlavne z dusíka (N ₂ ) a kyslík (O ₂ ).

Toxické plyny

V dôsledku ľudskej činnosti troposféra obsahuje mnoho ďalších chemikálií považovaných za látky znečisťujúce ovzdušie, ako napríklad:

• Oxid uhličitý a oxid uhoľnatý (CO ₂ a CO).
• Metánu (CH ₄ ).
• Oxid dusičitý (NO).
• Oxid siričitý (SO ₂ ).
• Ozón O ₃ (považovaný za znečisťujúcu látku v troposfére)
• Prchavé organické zlúčeniny (VOC), prášky alebo tuhé častice.

Medzi mnohými ďalšími látkami, ktoré ovplyvňujú zdravie ľudí, rastlín a zvierat.

Kyslý dážď

Oxidy síry (SO ₂ a SO ₃ ) a oxidy dusíka, ako je oxid dusný (NO ₂ ) spôsobujú iný environmentálny problém s názvom kyslý dážď.

Tieto oxidy, prítomné v troposfére najmä ako produkty spaľovania fosílnych palív v priemyselných činnostiach a doprave, reagujú s dažďovou vodou, ktorá vytvára kyselinu sírovú a kyselinu dusičnú, s následným vyzrážaním kyseliny.

Obrázok 3. Schéma kyslého dažďa. Zdroj: Alfredsito94, z Wikimedia Commons

Vyzrážaním tohto dažďa, ktorý obsahuje silné kyseliny, spôsobuje niekoľko environmentálnych problémov, ako je acidifikácia morí a sladkých vôd. To spôsobuje smrť vodných organizmov; okyslenie pôd, ktoré spôsobuje smrť plodín a ničenie budov, mostov a pamiatok korozívnym pôsobením.

Ďalšími atmosférickými environmentálnymi problémami sú fotochemický smog spôsobený hlavne oxidmi dusíka a troposférickým ozónom.

Globálne otepľovanie

Globálne otepľovanie je produkovaný vysokými koncentráciami atmosférického CO ₂ a ďalších skleníkových plynov (skleníkových plynov), ktoré absorbujú väčšinu infračerveného žiarenia emitovaného zemského povrchu a pasce tepla v troposfére. To vedie k zmene klímy na planéte.

Environmentálna chémia hydrosféry

Hydrosféra sa skladá zo všetkých vodných útvarov na Zemi: povrchových alebo mokradí - oceánov, jazier, riek, prameňov - a podzemných alebo zvodnených.

-Čerstvá voda

Voda je najbežnejšou tekutou látkou na planéte, pokrýva 75% zemského povrchu a je absolútne nevyhnutná pre život.

Všetky formy života závisia od sladkej vody (definovanej ako voda s obsahom soli menej ako 0,01%). 97% vody na planéte je slaná voda.

Z zostávajúcich 3% čerstvej vody je 87% v:

• Poliaci Zeme (ktoré sa vplyvom globálneho otepľovania topia a vlievajú do morí).
• Ľadovce (tiež v procese vymiznutia).
• Podzemných vôd.
• Voda vo forme pary prítomnej v atmosfére.

Na spotrebu je k dispozícii iba 0,4% celkovej sladkej vody na planéte. Odparovanie vody z oceánov a zrážky dažďov nepretržite poskytujú toto malé percento.

V environmentálnej chémii vody sa skúmajú chemické procesy, ktoré sa vyskytujú vo vodnom cykle alebo v hydrologickom cykle, a tiež vyvíja technológie na čistenie vody na ľudskú spotrebu, čistenie priemyselných a mestských odpadových vôd, odsoľovanie morskej vody, recykláciu. a okrem iného šetrenie tohto zdroja.

- Vodný cyklus

Vodný cyklus na Zemi pozostáva z troch hlavných procesov: odparovania, kondenzácie a zrážok, z ktorých sú odvodené tri okruhy:

1. Povrchový odtok
2. Evapotranspirácia rastlín
3. Infiltrácia, pri ktorej voda prechádza do podzemných úrovní (phreatic), cirkuluje cez zvodnené kanály a listy cez pramene, fontány alebo studne.

Obrázok 4. Vodný cyklus. Zdroj: Wasserkreislauf.png: od: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, pomocou Wikimedia Commons

- Antropologické vplyvy na vodný cyklus

Ľudská činnosť má vplyv na vodný cyklus; Niektoré z príčin a účinkov antropologického pôsobenia sú tieto:

Úprava povrchu pôdy

Je spôsobená ničením lesov a polí s odlesňovaním. Toto ovplyvňuje vodný cyklus odstránením evapotranspirácie (príjem vody rastlinami a návrat do životného prostredia potením a odparením) a zvýšením odtoku.

Zvýšenie povrchového odtoku vedie k zvýšeniu toku riek a záplav.

Urbanizácia tiež modifikuje povrch pôdy a ovplyvňuje vodný cyklus, pretože pórovitá pôda je nahradená nepriepustným cementom a asfaltom, čo znemožňuje infiltráciu.

Znečistenie vodného cyklu

Vodný cyklus zahŕňa celú biosféru, a preto sa do tohto cyklu rôznymi spôsobmi začleňuje ľudský odpad.

Do dažďa sa pridávajú chemické znečisťujúce látky vo vzduchu. Agrochemikálie aplikované na pôdu trpia výluhom a prenikajú do zvodnených vrstiev alebo stekajú do riek, jazier a morí.

Odpad tukov a olejov a výluhy sanitárnych skládok sa prenáša aj infiltráciou do podzemných vôd.

Ťažba vody s prečerpaním vodných zdrojov

Tieto postupy prečerpania vedú k vyčerpávaniu zásob podzemných a povrchových vôd, ovplyvňujú ekosystémy a spôsobujú miestny pokles pôdy.

Pôdna chémia životného prostredia

Pôdy sú jedným z najdôležitejších faktorov v rovnováhe biosféry. Poskytujú ukotvenie, vodu a živiny rastlinám, ktoré sú producentmi pozemských trofických reťazcov.

pôda

Pôdu je možné definovať ako komplexný a dynamický ekosystém troch fáz: pevná fáza s minerálnym a organickým nosičom, vodná kvapalná fáza a plynná fáza; vyznačujúci sa tým, že má zvláštnu faunu a flóru (baktérie, huby, vírusy, rastliny, hmyz, nematódy, prvoky).

Vlastnosti pôdy sa neustále menia podľa podmienok prostredia a biologickej aktivity, ktorá sa v nej vyvíja.

Antropologické vplyvy na pôdu

Degradácia pôdy je proces, ktorý znižuje výrobnú kapacitu pôdy a je schopný spôsobiť hlbokú a negatívnu zmenu ekosystému.

Faktory, ktoré spôsobujú degradáciu pôdy, sú: podnebie, fyziografia, litológia, vegetácia a ľudské pôsobenie.

Obrázok 5. Degradovaná pôda. Zdroj: pexels.com

Ľudským konaním môže dôjsť:

• Fyzická degradácia pôdy (napríklad zhutnenie v dôsledku nesprávneho hospodárenia a farmárstva).
• Chemická degradácia pôdy (okyslenie, alkalizácia, salinizácia, kontaminácia agrochemikáliami, odpadmi z priemyselnej a mestskej činnosti, ropnými škvrnami, okrem iného).
• Biologická degradácia pôdy (okrem iného pokles obsahu organických látok, degradácia vegetačného krytu, strata mikroorganizmov, ktoré viažu dusík).

Vzťah chemicko - environmentálny

Environmentálna chémia študuje rôzne chemické procesy, ktoré prebiehajú v troch zložkách životného prostredia: atmosféra, hydrosféra a pôda. Je zaujímavé prehodnotiť ďalší prístup k jednoduchému chemickému modelu, ktorý sa snaží vysvetliť globálny prenos látok, ktoré sa vyskytujú v životnom prostredí.

-Model Garrels a Lerman

Garrels a Lerman (1981) vyvinuli zjednodušený model biogeochémie zemského povrchu, ktorý skúma interakcie medzi atmosférou, hydrosférou, zemskou kôrou a zahrnutými oddeleniami biosféry.

Model Garrels a Lerman zvažuje sedem hlavných základných minerálov planéty:

1. Sadra (CaSO ₄ )
2. Pyrit (FeS ₂ )
3. Uhličitan vápenatý (CaCO ₃ )
4. Uhličitan horečnatý (MgCO ₃ )
5. Kremičitan horečnatý (MgSiO ₃ )
6. Oxid železitý (Fe ₂ O ₃ )
7. Oxid kremičitý (SiO ₂ )

Zložky organický materiál biosféry (živých i mŕtvych), je reprezentovaný ako CH ₂ O, ktorá je približné stechiometrické zloženie živých tkanív.

V Garrelsovom a Lermanovom modeli sa geologické zmeny študujú ako čisté prenosy hmoty medzi týmito ôsmimi zložkami planéty prostredníctvom chemických reakcií a čistej rovnováhy hromadnej ochrany.

Hromadenie CO

Napríklad, problém hromadenie CO ₂ v atmosfére je študovaná v tomto modeli s tým, že: v súčasnosti spálenie organického uhlíka uloženého v biosfére ako uhlia, ropy a zemného plynu uloženého v podloží v geologickej násobku minulosti ,

V dôsledku tohto intenzívneho spaľovania fosílnych palív, je koncentrácia atmosférického CO ₂ sa zvyšuje.

Nárast koncentrácií CO ₂ v zemskej atmosfére je spôsobený skutočnosťou, že rýchlosť spaľovania fosílneho uhlíka prekračuje mieru absorpcie uhlíka ostatnými zložkami biogeochemického systému Zeme (ako sú fotosyntetické organizmy a napríklad hydrosféra).

Týmto spôsobom, emisie CO ₂ do atmosféry v dôsledku ľudskej činnosti, prekonáva regulačný systém, ktorý moduluje mení na Zemi.

Veľkosť biosféry

Model vyvinutý Garrelsom a Lermanom sa tiež domnieva, že veľkosť biosféry sa zvyšuje a zmenšuje v dôsledku rovnováhy medzi fotosyntézou a dýchaním.

Počas histórie života na Zemi sa masa biosféry postupne zvyšovala s vysokou mierou fotosyntézy. To malo za následok čisté ukladanie organického uhlíka a emisie kyslíka:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Dýchanie ako metabolickej aktivity mikroorganizmov a vyšších živočíchov, prevedie organického uhlíka späť na oxid uhličitý (CO ₂ ) a vodu (H ₂ O), to znamená, že sa prevráti predchádzajúce chemickú reakciu.

Prítomnosť vody, ukladanie organického uhlíka a produkcia molekulárneho kyslíka sú základom existencie života.

Aplikácie environmentálnej chémie

Environmentálna chémia ponúka riešenia na prevenciu, zmiernenie a nápravu škôd na životnom prostredí spôsobených ľudskou činnosťou. Medzi niektoré z týchto riešení môžeme uviesť:

• Dizajn nových materiálov nazývaných MOF (pre jeho skratku v angličtine: Metal Organic Frameworks). Jedná sa o veľmi porézny a majú kapacitu na: absorbovať a zadržať CO ₂ , získa H ₂ O zo vzduchového pary v púštnych oblastiach a obchodu H ₂ v malých nádobách.
• Premena odpadu na suroviny. Napríklad použitie opotrebovaných pneumatík pri výrobe umelej trávy alebo podrážok topánok. Tiež použitie odpadu z prerezávania plodín pri výrobe bioplynu alebo bioetanolu.
• Chemické syntézy náhrad CFC.
• Vývoj alternatívnych energií, ako sú napríklad vodíkové články, na výrobu neznečisťujúcej elektriny.
• Regulácia znečistenia atmosféry pomocou inertných filtrov a reaktívnych filtrov.
• Odsoľovanie morskej vody reverznou osmózou.
• Vývoj nových materiálov na flokuláciu koloidných látok suspendovaných vo vode (proces čistenia).
• Zvrátenie eutrofizácie jazera.
• Vývoj „zelenej chémie“, trendu, ktorý navrhuje nahradenie toxických chemických zlúčenín menej toxickými a „ekologických“ chemických postupov. Napríklad sa používa okrem iného pri používaní menej toxických rozpúšťadiel a surovín v priemysle, pri chemickom čistení bielizne.

Referencie

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., a Cantrell, CA (1985). Chemické mechanizmy tvorby kyselín v troposfére. Náture, 317 (6032), 27-35. doi: 10,1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Vplyv oxidov dusíka na obsah atmosféry. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM a Lerman, A. (1981). Phanerozoic cykly sedimentárneho uhlíka a síry. Zborník Prírodnej akadémie vied. USA 78: 4 652 - 4 656.
4. Hester, RE a Harrison, RM (2002). Globálne zmeny životného prostredia. Kráľovská spoločnosť chémie. str. 205.
5. Hites, RA (2007). Prvky environmentálnej chémie. Wiley-Interscience. str. 215.
6. Manahan, SE (2000). Environmentálna chémia. Siedme vydanie. CRC. str. 876
7. Molina, MJ a Rowland, FS (1974). Stratosférický drez pre chlórfluórmetány: Deštrukcia ozónu katalyzovaná atómom chlóru. Nature. 249: 810-812.
8. Morel, FM a Hering, JM (2000). Princípy a aplikácie vodnej chémie. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. a Goliff, WS (2011). Prehľad mechanizmov troposférickej atmosféry v atmosfére a chemických mechanizmov plynnej fázy na modelovanie kvality ovzdušia. Atmosféra, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001