Inquinamento. Queste tre aree sono tutte collegate tra loro.

Transcript

1 CHIMICA AMBIENTALE E' la chimica dei processi che si verificano normalmente nell'aria, nelle acque nel suolo della Terra. Il ruolo svolto dalla chimica è di grande importanza per l'ambiente e coinvolge sia gli aspetti legati alla produzione di inquinanti che quelli legati alla soluzione dei problemi dell inquinamento.

2 dell acqua dell aria del suolo Inquinamento Queste tre aree sono tutte 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 non propriamente scaricati e/o abbandonati, possono permeare nell acqua di falda, che può essere utilizzata per uso civile o immessa nei fiumi e nei laghi.

3 Il problema ambientale fa la sua comparsa già dal 1911 con la parola smog (nube tossica a Londra). Smog = Smoke + Fog Smog riducente Smog fotochimico Smog riducente Smog solforoso Smog classico Smog di Londra Caratterizzato dalla presenza di SO 2 Tipicamente invernale Comune nei climi umidi e freddi Smog fotochimico Smog ossidante Smog attuale Smog di Los Angeles Caratterizzato dalla presenza di ossidanti fotochimici come O 3 Tipicamente estivo Comune nei climi caldi e asciutti

4 Si può dividere sostanzialmente in due i gruppi: - inquinamento massiccio dovuto a ossidi di N, S, C e a idrocarburi provenienti dalle centrali e dalla motorizzazione; - inquinamento dovuto alle specie chimiche negli insediamenti industriali (gli effetti principali si manifestano con le malattie degenerative) Nel primo caso il problema è la produzione di energia e quindi la chimica contribuisce alla ricerca di fonti di energia "pulite" (vedi metanizzazione). Nel secondo caso l'intervento è più complesso e consiste nell individuazione delle sostanze dannose e la successiva sostituzione e bonifica dei danni sia sull'uomo che sulla natura.

5 I casi che tratteremo quali il buco dell'ozono, le piogge acide, l'effetto serra, l'inquinamento delle acque da metalli pesanti e del suolo, sono causati: da fattori legati alla produzione di energia, vedi aumento della temperatura per produzione di CO 2, importante sia per il buco dell'ozono che per l effetto serra. da produzione di sostanze difficilmente neutralizzabili che modificano gli equilibri dell'atmosfera (buco dell ozono), delle acque, del terreno (piogge acide).

6 L'energia luminosa arriva sulla Terra al ritmo di 174 milioni di GJ al secondo. In condizioni di equilibrio la quantità di radiazione ricevuta è bilanciata da una eguale quantità riemessa in due modi: riflessione (circa il 30% del totale, prevalentemente dalle nubi) riemissione come radiazione di corpo nero (il restante 70%) La radiazione non riflessa viene assorbita dall'atmosfera (16%), dalle nubi (4%) e dalla superficie terrestre e dai mari (51%), dove si trasforma in calore.

7 Nella attuale fase di riscaldamento del pianeta si sta assistendo ad una variazione significativa di uno dei fattori che potrebbero contribuire al riscaldamento globale: la concentrazione atmosferica di CO 2. Tale incremento (in due secoli si è passati da 280 ppm a 380 ppm) è indiscutibilmente legato alle attività umane, oltre ad essere un fenomeno in continuo aumento (circa 2 ppm all'anno). E legato essenzialmente al fatto che ogni anno vengono liberate nell'atmosfera circa 25 miliardi di tonnellate di CO 2, mentre il pianeta riuscirebbe a riassorbirne meno della metà mediante la fotosintesi clorofilliana e l'azione degli oceani.

8

9 Effetto serra Aumento progressivo della temperatura media dell'aria in conseguenza alla massiccia immissione di CO 2 ed altri gas nell'atmosfera. Le previsioni per il futuro sono rispetto a questo problema piuttosto drammatiche: - aumento di 1 C entro il 2040; aumento ulteriore di 1,5 C entro il 2100 Le conseguenze saranno: - Aumento delle precipitazioni, e in seguito al maggiore disgelo dei ghiacciai e all'espansione dell'acqua marina, aumento del livello del mare ~ 50 cm entro il Questo porterebbe uno sconvolgimento di molte situazioni attuali con modifiche climatiche enormi e quindi modifiche nella vita (si pensi alle popolazioni che vivono sulle coste, negli atolli ecc.), nell'agricoltura diverse condizioni ambientali, stress termico alle coltivazioni e così via.

10 Meccanismo dell'effetto serra La componente IR (infrarosso) della luce solare viene assorbita per il 20% circa da CO 2 e H 2 O presenti nell'atmosfera il 50% raggiunge la terra ed un 30% viene riflesso verso le nubi, dalle superfici innevate ghiacciai, deserti, ecc. La CO 2 assorbe la radiazione IR mediante vibrazioni di stretching e bending della molecola. H O H H O H O C O Il riscaldamento prodotto da questo effetto è pari a quello dovuto alla radiazione solare. L'aumento dei gas in grado di dare l'effetto serra è proporzionale all aumento dell'effetto stesso e questo costituisce un problema.

11 Essendo un corpo caldo inoltre la terra emette energia detta IR termico. Questo tipo di radiazione viene assorbita dai gas CO 2 e H 2 O dell'atmosfera e rimessa in tutte le direzioni, quindi sulla terra. Questo effetto permette alla superficie terrestre di mantenere una temperatura media di 15 C (in assenza sarebbe di -15 C). In realtà la mancanza dell'effetto serra si verifica con assenza di vapore acqueo nell'atmosfera sovrastante i deserti, con conseguente aumento dell'escursione termica fra notte e dì.

12 L'aumento dell'emissione della CO 2 atmosferica dipende in gran parte dall'uso di combustibili fossili (petrolio, carbone, gas) il resto avviene in quasi tutti i processi tipici dell'industrializzazione. Nei paesi in via di sviluppo è importante il fenomeno della deforestazione mediante incendi, che oltre a produrre CO 2 direttamente, elimina la vegetazione in grado di assorbila naturalmente. Bisogna comunque dire che gli oceani sciolgono la gran parte della CO 2 trasformandola in carbonati insolubili (in tempi lunghi però!).

13 La stratosfera e lo strato di ozono L'ozono è un gas bluastro con odore pungente, rappresenta la naturale protezione verso le radiazioni UV della luce solare. La quantità di O 3 nell'atmosfera si misura di DU (unità Dobson) 1DU = 0.01 mm di spessore, a P = 1 atm. L'O 3 viene trasportato dalle regioni tropicali all'antartide dalle correnti; di conseguenza le zone equatoriali sono povere di O 3, mentre quelle polari ne sono ricche (varia da 250 DU a 450 DU). La quantità di ozono sull'antartide è diminuita negli ultimi trent'anni fino ad arrivare a concentrazioni di 90 DU. Attraverso studi sulla stratosfera si è dimostrato che il buco dell'ozono è stato determinato dall'eccesso di Cl 2.

14 L'atmosfera è costituita da: troposfera (O 15 Km), stratosfera (15 50 Km) e poi mesofera, ionosfera, esosfera

15 I raggi UV provenienti dalla radiazione solare vengono assorbiti a livello di stratosfera e troposfera. L'UV-C nm viene assorbito dall'o 2 e dall'n 2 L'UV-B nm viene assorbito dall'o 3 L'UV-A nm non viene assorbito e raggiunge il suolo. L'UV-B risulta essere particolarmente dannoso per l'uomo e le piante: sull'uomo provoca l'abbronzatura e le scottature, favorisce la formazione del carcinoma della pelle in quanto viene assorbito dal DNA (300 nm).a

16 La diminuzione dei livelli di O 3 aumenta quindi sensibilmente le manifestazioni cancerogene (es: Australia 75% di incidenze). Il sistema immunitario viene particolarmente colpito con aumento delle malattie infettive e risulta in aumento l'insorgere della cataratta. Nelle piante le radiazioni UV-B interferiscono con la fotosintesi fino a 5 m sotto il livello del suolo.

17 Quando la radiazione UV colpisce un filamento di DNA, è possibile che due timine consecutive ne assorbano l energia per formare un legame covalente. Si ha quindi la formazione di un dimero della timina, una lesione grave del DNA che altera l informazione genetica.

18 Gli organismi viventi hanno tuttavia un meccanismo naturale di difesa, la fotoriparazione enzimatica. L enzima DNA polimerasi scopre la lesione, l enzima DNA fotoliasi si porta sul dimero, assorbe un fotone di luce blu e usa la sua energia per sciogliere il legame covalente.

19 L efficienza di questo meccanismo varia da specie a specie e, all interno della stessa specie, da individuo a individuo. Quando questo meccanismo di difesa non agisce in modo appropriato o sufficiente, si genera un danno genetico e, potenzialmente, un danno sanitario.

20 La formazione del buco dell'ozono a livello antartico si ha nel periodo settembre-ottobre cioè primavera. La presenza in inverno di basse temperature -80 facilita la formazione di cristalli di HNO 3 H 2 O sui quali si concentrano molecole di HCl, queste entrano facilmente in contatto con ClONO 2 per produrre Cl 2 che con l'azione della luce a primavera appunto forma 2Cl. La presenza di basse pressioni, di temperature inferiori a - 80 C e della rotazione terrestre, facilita la formazione di vortici, questi non favoriscono il ricambio di aria e quindi mantengono inalterate le condizioni di reazione. Con il sopraggiungere della notte questo processo si arresta nuovamente. ClONO 2 HCl HCl HCl HCl Cristalli di HNO 3 x 3H 2 O HCl HCl Cl Cl 2 Cl Luce

21 Reazione Fotochimica La reazione può essere schematizzata 1) O 2 + hu 2O* 2) O 3 + hu O 2 + O* l'o riforma O 2 e O 3 liberando calore che in genere nell'atmosfera viene assorbito dall'n 2. (O* + O 2 O 3 + calore). La maggiore concentrazione di O 3 si ha tra 15 e 35 Km di altezza. La distruzione dell'o 3 avviene a carico di catalizzatori tipo X secondo le reazioni: X + O 3 XO + O 2 XO + O O 2 + X * = radicale

22 Ozono troposferico Componente dello smog fotochimico, viene impiegato nella disinfezione. E un inquinante secondario, si comporta come ossidante fotochimico. Effetti dell ozono a livello troposferico Danni alle vie respiratorie ed oculari (irritazione delle vie aeree, riduzione della capacità polmonare) Danni alla vegetazione (blocca la fotosintesi) Danni ai materiali (cracking gomma) Gas serra A livello troposferico la [c] di O 3 è di 0,03-0,07 ppm

23 Ossidante fotochimico Sostanza capace di ossidare lo ioduro a iodio : O3 ozono H2O2 acqua ossigenata ROOR perossidi ROOH idroperossidi Perossiacilnitrati (PAN) R-CO-O-O-NO2 Esclusione NO2 Formazione dello smog fotochimico Luce ultravioletta sole Idrocarburi da automobili e naturali Ossidi di azoto da automobili e naturali NO 2 + hv NO + O λ< 420 nm O + O 2 O 3

24 Formazione dello smog fotochimico generazione di radicali NO 2 + hv NO + O O + O 2 O 3 O 3 + NO NO 2 + O 2 RH + (HO, O 3, O) ROO ROO + NO RO + NO 2