CIMICA 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. Il problema ambientale fa la sua comparsa già dal 1911 con la parola smog (smoke + fog, nube tossica a Londra).
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.
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, fattore importante sia per il buco dell'ozono che per le piogge acide; che da produzione di sostanze difficilmente neutralizzabili che modificano gli equilibri dell'atmosfera, delle acque, della terra.
La stratosfera e lo strato di ozono L'ozono 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 2. L'atmosfera è costituita da: troposfera (O 15 Km), stratosfera (15 50 Km).
I raggi UV provenienti dalla radiazione solare vengono assorbiti a livello di stratosfera e troposfera. L'UV-C 50 220 nm viene assorbito dall'o 2 e dall'n 2 L'UV-B 220 320 nm viene assorbito dall'o 3 L'UV-A 320 400 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).
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.
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
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 NO 3 2 O sui quali si concentrano molecole di, queste entrano facilmente in contatto con ONO 2 per produrre 2 che con l'azione della luce a primavera appunto forma 2. 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. ON O 2 Cristalli di NO 3. 3 2 O 2 Lu ce
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 2100. 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.
Meccanismo dell'effetto serra La componente IR (infrarosso) della luce solare viene assorbita per il 20% circa da CO 2 e 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. O O 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.
Essendo un corpo caldo inoltre la terra emette energia detta IR termico. Questo tipo di radiazione viene assorbita dai gas CO 2 e 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.
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!).