CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ: OBOR A APLIKACE - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2025

Environmentální chemie studuje chemické procesy, které se odehrávají na úrovni životního prostředí. Je to věda, která aplikuje chemické principy na studium vlivu na životní prostředí a dopadů způsobených lidskou činností.

Kromě toho chemie životního prostředí navrhuje preventivní, zmírňující a nápravné techniky pro existující poškození životního prostředí.

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

Chemie životního prostředí lze rozdělit do tří základních disciplín, kterými jsou:

1. Environmentální chemie atmosféry.
2. Environmentální chemie hydrosféry.
3. Chemie půdního prostředí.

Komplexní přístup k environmentální chemii navíc vyžaduje studium vzájemných vztahů mezi chemickými procesy, které se vyskytují v těchto třech kompartmentech (atmosféra, hydrosféra, půda) a jejich vztahů s biosférou.

Environmentální chemie atmosféry

Atmosféra je vrstva plynů, která obklopuje Zemi; jedná se o velmi komplexní systém, kde se teplota, tlak a chemické složení mění s výškou ve velmi širokých rozsazích.

Slunce bombarduje atmosféru zářením a vysokoenergetickými částicemi; tato skutečnost má velmi významné chemické účinky ve všech vrstvách atmosféry, ale zejména v horní a vnější vrstvě.

-Stratosféra

Ve vnějších oblastech atmosféry dochází k fotodisociačním a fotoionizačním reakcím. V oblasti mezi 30 a 90 km na výšku měřenou od zemského povrchu, ve stratosféře, je vrstva, která hlavně obsahuje ozon (O ₃), nazývaný ozonová vrstva.

Ozónová vrstva

Ozon absorbuje vysoce energetické ultrafialové záření, které vychází ze slunce, a pokud by neexistovalo pro tuto vrstvu, nemohly by přežít žádné známé formy života na planetě.

V roce 1995 získali atmosféričtí chemici Mario J. Molina (mexičtí), Frank S. Rowland (američtí) a Paul Crutzen (nizozemský) Nobelovu cenu za chemii za výzkum ničení a vyčerpání ozonu ve stratosféře.

Obrázek 2. Schéma vyčerpání v ozónové vrstvě. Z nasa.gov

V roce 1970 Crutzen ukázal, že oxidy dusíku ničí ozon katalytickými chemickými reakcemi. Následně Molina a Rowland v roce 1974 ukázali, že chlor v sloučeninách chlorfluoruhlovodíků (CFC) je také schopen ničit ozonovou vrstvu.

-Troposféra

Okamžitá vrstva atmosféry na zemský povrch, vysoká mezi 0 a 12 km, zvaná troposféra, je složena hlavně z dusíku (N ₂) a kyslíku (O ₂).

Toxické plyny

V důsledku lidské činnosti obsahuje troposféra mnoho dalších chemikálií považovaných za látky znečišťující ovzduší, jako například:

• Oxid uhličitý a oxid uhelnatý (CO ₂ a CO).
• Methanu (CH ₄).
• Oxid dusičitý (NO).
• Oxid siřičitý (SO ₂).
• Ozon O ₃ (považován za znečišťující látku v troposféře)
• Těkavé organické sloučeniny (VOC), prášky nebo pevné částice.

Mezi mnoho dalších látek, které ovlivňují zdraví lidí, rostlin a zvířat.

Kyselý déšť

Oxidy síry (SO ₂ a SO ₃) a oxidy dusíku, jako je oxid dusný (NO ₂) způsobují jiný environmentální problém s názvem kyselý déšť.

Tyto oxidy, přítomné v troposféře hlavně jako produkty spalování fosilních paliv v průmyslových činnostech a dopravě, reagují s dešťovou vodou za vzniku kyseliny sírové a kyseliny dusičné, s následným srážením kyseliny.

Obrázek 3. Schéma kyselého deště. Zdroj: Alfredsito94, z Wikimedia Commons

Vysrážením tohoto deště, který obsahuje silné kyseliny, způsobuje několik environmentálních problémů, jako je acidifikace moří a sladkých vod. To způsobuje smrt vodních organismů; okyselení půdy, které způsobuje smrt plodin a ničení budov, mostů a památek korozivním působením.

Dalšími atmosférickými environmentálními problémy jsou fotochemický smog způsobený hlavně oxidy dusíku a troposférickým ozonem.

Globální oteplování

Globální oteplování je produkován vysokými koncentracemi atmosférického CO ₂ a dalších skleníkových plynů (skleníkových plynů), které absorbují většinu infračerveného záření emitovaného zemského povrchu a pasti tepla v troposféře. To vytváří na planetě změnu klimatu.

Environmentální chemie hydrosféry

Hydrosféra se skládá ze všech vodních útvarů na Zemi: povrchových nebo mokřadních - oceánů, jezer, řek, pramenů - a podzemních nebo zvodnělých.

- Čerstvá voda

Voda je nejčastější kapalnou látkou na planetě, pokrývá 75% zemského povrchu a je naprosto nezbytná pro život.

Všechny formy života závisí na sladké vodě (definované jako voda s obsahem soli méně než 0,01%). 97% vody na planetě je slaná voda.

Ze zbývajících 3% čerstvé vody je 87% v:

• Poláci Země (které se díky globálnímu oteplování tají a proudí do moří).
• Ledovce (také v procesu mizení).
• Podzemní voda.
• Voda ve formě páry přítomné v atmosféře.

K spotřebě je k dispozici pouze 0,4% celkové sladké vody na planetě. Toto malé procento poskytuje odpařování vody z oceánů a srážky dešťů.

Environmentální chemie vody studuje chemické procesy, které se vyskytují ve vodním cyklu nebo hydrologickém cyklu, a také vyvíjí technologie pro čištění vody pro lidskou spotřebu, úpravu průmyslových a městských odpadních vod, odsolování mořské vody, recyklaci a uložení tohoto zdroje mimo jiné.

-Vodní cyklus

Vodní cyklus na Zemi sestává ze tří hlavních procesů: odpařování, kondenzace a srážení, ze kterých jsou odvozeny tři okruhy:

1. Povrchový odtok
2. Evapotranspirace rostlin
3. Infiltrace, při které voda přechází do podzemních úrovní (phreatic), cirkuluje přes vodonosné kanály a listy přes prameny, fontány nebo studny.

Obrázek 4. Vodní cyklus. Zdroj: Wasserkreislauf.png: od: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, přes Wikimedia Commons

- Antropologické dopady na vodní cyklus

Lidská činnost má dopad na vodní cyklus; některé z příčin a účinků antropologického působení jsou následující:

Úprava povrchu půdy

To je způsobeno ničením lesů a polí s odlesňováním. To ovlivňuje vodní cyklus odstraněním evapotranspirace (příjem vody rostlinami a návrat do životního prostředí potem a odpařováním) a zvýšením odtoku.

Zvýšení povrchového odtoku vede ke zvýšení toku řek a povodní.

Urbanizace také modifikuje povrch půdy a ovlivňuje vodní cyklus, protože porézní půda je nahrazena nepropustným cementem a asfaltem, což znemožňuje infiltraci.

Znečištění vodního cyklu

Vodní cyklus zahrnuje celou biosféru, a v důsledku toho je do tohoto cyklu různými způsoby inkorporován lidský odpad.

Do deště jsou začleněny chemické znečišťující látky ve vzduchu. Agrochemikálie se aplikují na půdu, trpí průsaky a pronikají do vodonosných vrstev nebo utekají do řek, jezer a moří.

Odpad tuků a olejů a výluhy sanitárních skládek se také přenáší infiltrací do podzemních vod.

Těžba vodních zdrojů s přečerpáním vodních zdrojů

Tyto přečerpávací postupy vedou k vyčerpání zásob podzemních a povrchových vod, ovlivňují ekosystémy a způsobují místní pokles půdy.

Chemie půdního prostředí

Půdy jsou jedním z nejdůležitějších faktorů v rovnováze biosféry. Poskytují ukotvení, vodu a živiny rostlinám, které jsou výrobci pozemských trofických řetězců.

Půda

Půda může být definována jako komplexní a dynamický ekosystém tří fází: pevná fáze s minerálním a organickým nosičem, vodná kapalná fáze a plynná fáze; vyznačující se tím, že má zvláštní faunu a flóru (bakterie, houby, viry, rostliny, hmyz, hlístice, prvoky).

Vlastnosti půdy jsou neustále upravovány podmínkami prostředí a biologickou aktivitou, která se v ní vyvíjí.

Antropologické dopady na půdu

Degradace půdy je proces, který snižuje produkční kapacitu půdy a je schopen vyvolat hlubokou a negativní změnu ekosystému.

Faktory, které způsobují degradaci půdy, jsou: klima, fyziografie, litologie, vegetace a lidské působení.

Obrázek 5. Degradovaná půda. Zdroj: pexels.com

Lidským jednáním může dojít:

• Fyzická degradace půdy (například zhutnění v důsledku nesprávného hospodaření a farmářských postupů).
• Chemická degradace půdy (acidifikace, alkalizace, salinizace, kontaminace agrochemikáliemi, odpadní vody z průmyslové a městské činnosti, ropné skvrny, mimo jiné).
• Biologická degradace půdy (pokles obsahu organických látek, degradace vegetačního pokryvu, ztráta mikroorganismů vázajících dusík)

Vztah chemicko - prostředí

Chemie životního prostředí studuje různé chemické procesy, které probíhají ve třech složkách životního prostředí: atmosféra, hydrosféra a půda. Je zajímavé přezkoumat další přístup k jednoduchému chemickému modelu, který se snaží vysvětlit globální přenosy látek, které se vyskytují v životním prostředí.

-Model Garrels a Lerman

Garrels and Lerman (1981) vyvinuli zjednodušený model biogeochemie zemského povrchu, který studuje interakce mezi složkami atmosféry, hydrosféry, zemské kůry a zahrnuté biosféry.

Model Garrels a Lerman uvažuje o sedmi hlavních základních minerálech planety:

1. Sádra (CaSO ₄)
2. Pyrit (FeS ₂)
3. Uhličitan vápenatý (CaCO ₃)
4. Uhličitan hořečnatý (MgCO ₃)
5. Křemičitan hořečnatý (MgSiO ₃)
6. Oxid železitý (Fe ₂ O ₃)
7. Oxid křemičitý (SiO ₂)

Složky organický materiál biosféry (živých i mrtvých), je reprezentován jako CH ₂ O, která je přibližné stechiometrické složení živých tkání.

V modelu Garrels a Lerman jsou geologické změny studovány jako čisté přenosy hmoty mezi těmito osmi složkami planety, chemickými reakcemi a čistou rovnováhou hromadné ochrany.

Hromadění CO

Například v tomto modelu je studován problém hromadění CO ₂ v atmosféře s tím, že: v současné době spalováme organický uhlík uložený v biosféře jako uhlí, ropa a zemní plyn uložený v podloží v geologických dobách minulých.

V důsledku tohoto intenzivního spalování fosilních paliv, je koncentrace atmosférického CO ₂ se zvyšuje.

Nárůst koncentrací CO ₂ v zemské atmosféře je způsoben skutečností, že rychlost spalování fosilního uhlíku překračuje rychlost absorpce uhlíku ostatními složkami biogeochemického systému Země (jako jsou fotosyntetické organismy a například hydrosféra).

Tímto způsobem emise CO ₂ do ovzduší v důsledku lidské činnosti předčí regulační systém, který moduluje změny na Zemi.

Velikost biosféry

Model vyvinutý Garrelsem a Lermanem se také domnívá, že velikost biosféry se zvětšuje a zmenšuje v důsledku rovnováhy mezi fotosyntézou a dýcháním.

Během historie života na Zemi se masa biosféry postupně zvyšovala s vysokou mírou fotosyntézy. Výsledkem bylo čisté ukládání organického uhlíku a emise kyslíku:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Dýchání jako metabolické aktivity mikroorganizmů a vyšších živočichů, převede organického uhlíku zpět na oxid uhličitý (CO ₂) a vodu (H ₂ O), to znamená, že se převrátí předchozí chemickou reakci.

Přítomnost vody, ukládání organického uhlíku a produkce molekulárního kyslíku jsou zásadní pro existenci života.

Aplikace chemie životního prostředí

Chemie životního prostředí nabízí řešení pro prevenci, zmírnění a nápravu škod na životním prostředí způsobených lidskou činností. Mezi některá z těchto řešení můžeme zmínit:

• Návrh nových materiálů zvaných MOF (pro jeho zkratku v angličtině: Metal Organic Frameworks). Jedná se o velmi porézní a mají kapacitu na: absorbovat a zadržet CO ₂, získá H ₂ O ze vzduchového páry v pouštních oblastech a obchodu H ₂ v malých nádobách.
• Přeměna odpadu na suroviny. Například použití opotřebovaných pneumatik při výrobě umělé trávy nebo podrážky bot. Také použití odpadu z prořezávání plodin při výrobě bioplynu nebo bioethanolu.
• Chemické syntézy náhrad CFC.
• Vývoj alternativních energií, jako jsou vodíkové články, pro výrobu neznečišťující elektřiny.
• Regulace znečištění ovzduší inertními filtry a reaktivními filtry.
• Odsolování mořské vody reverzní osmózou.
• Vývoj nových materiálů pro flokulaci koloidních látek suspendovaných ve vodě (proces čištění).
• Zvrat eutrofizace jezera.
• Vývoj „zelené chemie“, trendu, který navrhuje nahrazení toxických chemických sloučenin méně toxickými a „ekologických“ chemických postupů. Například se používá mimo jiné při používání méně toxických rozpouštědel a surovin v průmyslu, při suchém čištění prádelen.

Reference

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., a Cantrell, CA (1985). Chemické mechanismy tvorby kyseliny v troposféře. Nature, 317 (6032), 27-35. doi: 10,1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Vliv oxidů dusíku na obsah atmosféry. QJR Metheorol. Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM a Lerman, A. (1981). Fanerozoické cykly sedimentárního uhlíku a síry. Sborník přírodních věd Akademie věd. USA 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE a Harrison, RM (2002). Globální změna životního prostředí. Královská společnost chemie. str. 205.
5. Hites, RA (2007). Základy environmentální chemie. Wiley-Interscience. str. 215.
6. Manahan, SE (2000). Chemie životního prostředí. Sedmé vydání. CRC. str. 876
7. Molina, MJ a Rowland, FS (1974). Stratosférický dřez pro chlorfluormethany: destrukce ozonu katalyzovaná atomem chloru. Příroda. 249: 810-812.
8. Morel, FM a Hering, JM (2000). Principy a aplikace vodní chemie. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E. a Goliff, WS (2011). Přehled troposférické chemie atmosféry a chemických mechanismů plynné fáze pro modelování kvality ovzduší. Atmosféra, 3 (1), 1-32. doi: 10,3390 / atmos3010001