כימיה סביבתית: תחום לימודים ויישומים - סביבה - 2025

הכימיה הסביבתית בוחנת את התהליכים הכימיים המתרחשים ברמה הסביבתית. זהו מדע המיישם עקרונות כימיים על חקר הביצועים הסביבתיים וההשפעות הנוצרות על ידי פעילויות אנושיות.

בנוסף, כימיה סביבתית מתכננת טכניקות מניעה, הפחתה ותיקון של נזקים סביבתיים קיימים.

איור 1. תרשים של האטמוספרה היבשתית, הידרוספרה, ליטוספרה וביוספרה. מקור: Bojana Petrović, מ- Wikimedia Commons

ניתן לחלק את הכימיה הסביבתית לשלושה תחומים בסיסיים שהם:

1. כימיה סביבתית של האווירה.
2. כימיה סביבתית של הידרוספרה.
3. כימיה סביבתית בקרקע.

גישה כוללת לכימיה סביבתית מחייבת בנוסף לחקור את קשרי הגומלין בין התהליכים הכימיים המתרחשים בשלושת התאים הללו (אטמוספרה, הידרוספרה, אדמה) ואת קשריהם עם הביוספרה.

כימיה סביבתית של האווירה

האטמוספרה היא שכבת הגזים המקיפה את כדור הארץ; היא מהווה מערכת מורכבת מאוד, בה הטמפרטורה, הלחץ וההרכב הכימי משתנים עם הגובה בטווחים רחבים מאוד.

השמש מפציצה את האטמוספרה בקרינה וחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה; לעובדה זו השפעות כימיות משמעותיות ביותר בכל שכבות האטמוספירה, אך בפרט בשכבות העליונות והחיצוניות.

-סטרטוספירה

תגובות פוטו -issociation ו- Photoionization מתרחשות באזורים החיצוניים של האטמוספרה. באזור שבין 30 ל- 90 ק"מ גובהו הנמדד מעל פני כדור הארץ, בסטרטוספרה, שכבה המכילה בעיקר אוזון (O ₃ ), הנקראת שכבת האוזון.

שכבת האוזון

האוזון סופג את הקרינה האולטרה סגולה האנרגטית העולה מהשמש, ולולא קיומה של שכבה זו, שום צורת חיים ידועה בכוכב הלכת לא הייתה מסוגלת לשרוד.

בשנת 1995 זכו הכימאים האטמוספריים מריו ג'י מולינה (מקסיקני), פרנק ס. רולנד (אמריקאי) ופול קרוצן (הולנדים) בפרס נובל לכימיה על מחקריהם על הרס האוזון והידלדלותם בסטרטוספרה.

איור 2. תרשים של הידלדלות בשכבת האוזון. מאת nasa.gov

בשנת 1970 הראה קרוצן כי תחמוצות חנקן הורסות אוזון באמצעות תגובות כימיות קטליטיות. לאחר מכן מולינה ורולנד בשנת 1974 הראו כי הכלור בתרכובות כלור-פלואור-פחמן (CFC) מסוגל גם להשמיד את שכבת האוזון.

-טרופוספרה

השכבה האטמוספרית בקרבת פני כדור הארץ, שגובהה בין 0 ל- 12 ק"מ, המכונה הטרופוספירה, מורכבת בעיקר מחנקן (N ₂ ) וחמצן (O ₂ ).

גזים רעילים

כתוצאה מפעילות אנושית, הטרופוספירה מכילה כימיקלים רבים נוספים הנחשבים למזהמי אוויר כגון:

• פחמן דו חמצני חד-חמצני (CO ₂ ו- CO).
• מתאן (CH ₄ ).
• תחמוצת חנקן (NO).
• דו תחמוצת הגופרית (SO ₂ ).
• אוזון O ₃ (נחשב למזהם באיזור הטרופוספירה)
• תרכובות אורגניות נדיפות (VOC), אבקות או חלקיקים מוצקים.

בין חומרים רבים אחרים המשפיעים על בריאות האדם והצמחים ובעלי החיים.

גשם חומצי

תחמוצות גופרית (SO ₂ ו- SO ₃ ) ותחמוצות חנקן כמו תחמוצת החנקן (NO ₂ ) גורמות לבעיה סביבתית נוספת הנקראת גשם חומצי.

תחמוצות אלה, הנמצאות בטרופוספירה בעיקר כתוצרי בעירה של דלקים מאובנים בפעילות תעשייתית ותעבורה, מגיבות עם מי גשמים המייצרים חומצה גופרתית וחומצה חנקתית, עם המשקעים הנוצרים כתוצאה מכך.

איור 3. תרשים גשם חומצי. מקור: Alfredsito94, מ- Wikimedia Commons

על ידי משקע גשם זה המכיל חומצות חזקות, הוא מעורר מספר בעיות סביבתיות כמו החמצת הימים והמים הטריים. זה גורם למוות של אורגניזמים מימיים; החמצת קרקעות הגורמת למוות של יבולים והרס על ידי פעולה כימית מאכלת של מבנים, גשרים ומונומנטים.

בעיות סביבתיות אחרות באטמוספרי הן ערפיח פוטוכימי, הנגרם בעיקר כתוצאה מתחמוצות חנקן ואוזון טרופוספרי.

התחממות גלובלית

ההתחממות הגלובלית נוצרת על ידי ריכוזים גבוהים של CO ₂ אטמוספרי וגזי חממה אחרים (GHGs), הסופגים חלק ניכר מהקרינה האינפרא אדום הנפלטת על פני כדור הארץ ומלכודת את החום בטרופוספירה. זה מייצר שינויי אקלים בכוכב הלכת.

כימיה סביבתית של הידרוספרה

ההידרוספרה מורכבת מכל גופי המים בכדור הארץ: פני שטח או רטיבות - אוקיינוסים, אגמים, נהרות, מעיינות - ותת-קרקעיים או אקוויפרים.

מים טריים

מים הם החומר הנוזלי הנפוץ ביותר בכוכב הלכת, הם מכסים 75% משטח כדור הארץ והם חיוניים לחלוטין לחיים.

כל צורות החיים תלויים במים מתוקים (מוגדרים כמים עם תכולת מלח נמוכה מ 0.01%). 97% מהמים בכוכב הלכת הם מים מלוחים.

מתוך 3% הנותרים של מים מתוקים, 87% הם ב:

• קטבי כדור הארץ (הנמסים ונשפכים לים בגלל התחממות כדור הארץ).
• הקרחונים (גם בתהליך היעלמות).
• מי תהום.
• מים בצורת אדים שנמצאים באטמוספרה.

רק 0.4% מכלל המים המתוקים של כדור הארץ זמינים לצריכה. אידוי המים מהאוקיינוסים ומשקעי הגשמים מספקים ברציפות אחוז קטן זה.

הכימיה הסביבתית של מים חוקרת את התהליכים הכימיים המתרחשים במחזור המים או במחזור ההידרולוגי ומפתחת גם טכנולוגיות לטיהור מים לצריכה אנושית, טיפול בשפכים תעשייתיים ועירוניים, התפלת מי ים, מיחזור ושמירת משאב זה, בין היתר.

-מחזור המים

מחזור המים על כדור הארץ מורכב משלושה תהליכים עיקריים: אידוי, עיבוי ומשקעים, מהם נגזרים שלושה מעגלים:

1. נגר פני השטח
2. התנדפות צמחית
3. ההסתננות, בה המים עוברים לרמות תת קרקעיות (פרותיים), מסתובבת דרך תעלות אקוויפר ויוצאת דרך מעיינות, מזרקות או בארות.

איור 4. מחזור מים. מקור: Wasserkreislauf.png: מתוך: Benutzer: עבודה Jooooderivative: moyogo, באמצעות Wikimedia Commons

-השפעות אנתרופולוגיות על מחזור המים

לפעילות האנושית השפעות על מחזור המים; חלק מהגורמים וההשפעות של פעולה אנתרופולוגית הם הבאים:

שינוי פני השטח

זה נוצר על ידי הרס יערות ושדות עם יערות יערות. זה משפיע על מחזור המים על ידי ביטול התפוגגות (צריכת מים על ידי צמחים וחזרה לסביבה על ידי מעבר ואידוי) ועל ידי הגדלת הנגר.

העלייה בנגר השטח מייצרת עלייה בזרימת הנהרות והשיטפונות.

העיור גם משנה את פני האדמה ומשפיע על מחזור המים, מכיוון שהאדמה הנקבובית מוחלפת במלט ואספלט אטום, מה שהופך את החדירה לבלתי אפשרית.

זיהום מחזור מים

מחזור המים כולל את כל הביוספרה וכתוצאה מכך, פסולת שנוצרת על ידי האדם משולבת במחזור זה על ידי תהליכים שונים.

מזהמים כימיים באוויר משולבים בגשם. כימיקלים אגרוכימיים המופעלים על האדמה, סובלים מחלחול וחדירה לאקוויפרים, או בורחים לנהרות, אגמים וימים.

כמו כן, הפסולת של שומנים ושמנים וליסודי ההטמנה הטמונים התברואתית מועברת על ידי הסתננות למי התהום.

מיצוי אספקת מים עם משיכת יתר במשאבי מים

נהלי משיכה אלה מייצרים הידלדלות של מי תהום ומאגרי מים לפני השטח, משפיעים על מערכות אקולוגיות ומייצרים שכיחות אדמה מקומית.

כימיה סביבתית בקרקע

קרקעות הן אחד הגורמים החשובים ביותר במאזן הביוספרה. הם מספקים עיגון, מים וחומרים מזינים לצמחים שהם יצרנים בשרשראות הגביע היבשתיות.

קרקע

ניתן להגדיר את האדמה כמערכת אקולוגית מורכבת ודינמית של שלושה שלבים: שלב מוצק עם תמיכה מינרלית ואורגנית, שלב נוזלי מימי ושלב גז; מאופיין על ידי בעלי חיים וצומח מסוים (חיידקים, פטריות, נגיפים, צמחים, חרקים, נמטודות, פרוטוזואה).

תכונות האדמה משתנות כל הזמן על ידי תנאי הסביבה ועל ידי הפעילות הביולוגית המתפתחת בה.

השפעות אנתרופולוגיות על האדמה

השפלת קרקע היא תהליך שמוריד את יכולת הייצור של האדמה, המסוגל לייצר שינוי עמוק ושלילי במערכת האקולוגית.

הגורמים המייצרים השפלה בקרקע הם: אקלים, פיזיוגרפיה, ליטולוגיה, צמחיה ופעולה אנושית.

איור 5. אדמה מושפלת. מקור: pexels.com

על ידי פעולה אנושית יכולה להתרחש:

• השפלה גופנית של האדמה (לדוגמה, דחיסה משיטות חקלאיות וחוות לא ראויות).
• השפלה כימית של האדמה (החמצה, אלקליזציה, מלחה, זיהום באגרוכימיה, עם שפכים מפעילות תעשייתית ועירונית, שפיכות נפט, בין היתר).
• השפלה ביולוגית של האדמה (ירידה בתכולת החומר האורגני, השפלה של כיסוי הצמחייה, אובדן של מיקרואורגניזמים מקבעים חנקן, בין היתר).

קשר כימי-סביבתי

כימיה סביבתית בוחנת את התהליכים הכימיים השונים המתרחשים בשלושת התאים הסביבתיים: אטמוספרה, הידרוספרה ואדמה. מעניין לסקור גישה נוספת על מודל כימי פשוט, שמנסה להסביר את העברות החומר העולמיות המתרחשות בסביבה.

-דוגמת גרביות ולרמן

Garrels and Lerman (1981) פיתחו מודל מפושט של הביוגיוכימיה של פני כדור הארץ, הבוחן את האינטראקציות בין האטמוספרה, ההידרוספרה, קרום האדמה ותאי הביוספרה הכלולים.

מודל הגארלס ולרמן שוקל שבעה מינרלים המרכיבים העיקריים של כדור הארץ:

1. גבס (CaSO ₄ )
2. פיריט (FeS ₂ )
3. סידן פחמתי (CaCO ₃ )
4. מגנזיום קרבונט (MgCO ₃ )
5. סיליקון מגנזיום (MgSiO ₃ )
6. תחמוצת הברזל (Fe ₂ O ₃ )
7. דו תחמוצת הסיליקון (SiO ₂ )

החומר האורגני המרכיב של הביוספרה (חיים ומתים כאחד) מיוצג כ- CH ₂ O, שהוא ההרכב הסטואיציומטרי המשוער של רקמות חיות.

במודל Garrels and Lerman נבדקים שינויים גיאולוגיים כהעברות נטו של חומר בין שמונה מרכיבי כדור הארץ אלה, דרך תגובות כימיות ואיזון נטו של שימור המונים.

הצטברות CO

לדוגמא, בעיית הצטברות CO ₂ באטמוספרה נלמדת במודל זה ואומרת כי: אנו שורפים כעת את הפחמן האורגני המאוחסן בביוספרה כפחם, נפט וגז טבעי המופקדים בתת הקרקע בתקופות גיאולוגיות בעבר .

כתוצאה משריפה אינטנסיבית זו של דלקים מאובנים, הריכוז של CO ₂ אטמוספרי עולה.

העלייה בריכוזי CO ₂ באטמוספירה של כדור הארץ נובעת מהעובדה ששיעור הבעירה הפחמנית המאובנת עולה על קצב ספיגת הפחמן על ידי שאר המרכיבים במערכת הביוגוכימית של כדור הארץ (כמו אורגניזמים פוטוסינתטיים ו הידרוספרה, למשל).

בדרך זו, פליטת CO ₂ לאטמוספרה עקב פעילויות אנושיות, עולה על מערכת הרגולציה שמווסתת שינויים בכדור הארץ.

גודל הביוספרה

המודל שפותח על ידי גרלס ולרמן גם חושב כי גודל הביוספרה עולה ויורד כתוצאה מהאיזון בין הפוטוסינתזה והנשימה.

במהלך ההיסטוריה של החיים על כדור הארץ, מסת הביוספרה גדלה בשלבים עם שיעורי פוטוסינתזה גבוהים. זה הביא לאחסון נטו של פחמן אורגני ופליטת חמצן:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

הנשימה כפעילות מטבולית של מיקרואורגניזמים ובעלי חיים גבוהים יותר, ממירה פחמן אורגני בחזרה לפחמן דו חמצני (CO ₂ ) ומים (H ₂ O), כלומר, היא הופכת את התגובה הכימית הקודמת.

נוכחותם של מים, אגירת פחמן אורגני וייצור חמצן מולקולרי הם בסיסיים לקיום החיים.

יישומי כימיה סביבתית

כימיה סביבתית מציעה פתרונות למניעה, הפחתה ותיקון של נזקים סביבתיים הנגרמים כתוצאה מפעילות אנושית. בין כמה מהפתרונות הללו אנו יכולים להזכיר:

• תכנון של חומרים חדשים בשם MOF's (ראשי תיבות באנגלית: Metal Organic Frameworks). אלה נקבוביים מאוד ויש להם יכולת: לספוג ולשמור על CO ₂ , להשיג H ₂ O מאדי האוויר באזורים מדבריים ולאחסן H ₂ במכולות קטנות.
• המרת הפסולת לחומרי גלם. לדוגמא, שימוש בצמיגים שחוקים בייצור דשא מלאכותי או סוליות נעליים. כמו כן השימוש בפסולת גיזום יבולים, בייצור ביוגז או ביו-אתנול.
• סינתזות כימיות של תחליפי CFC.
• פיתוח אנרגיות חלופיות, כמו תאי מימן, לייצור חשמל לא מזהם.
• בקרת זיהום אטמוספרי, עם פילטרים אינרטיים ומסננים תגוביים.
• התפלה של מי ים על ידי אוסמוזה הפוכה.
• פיתוח חומרים חדשים לניתוח חומרים קולואידיים המותלים במים (תהליך טיהור).
• היפוך האוטרופיזציה של האגם.
• פיתוח "כימיה ירוקה", מגמה המציעה להחליף תרכובות כימיות רעילות על ידי פחות רעילים, ונהלים כימיים "ידידותיים לסביבה". לדוגמא, הוא מיושם בשימוש בממסים וחומרי גלם פחות רעילים, בתעשייה, בניקוי יבש של מכבסות, בין היתר.

הפניות

1. קלברט, ג'יי.ג ', לזרוס, א., קוק, גל, הייקס, ב.ג., וולגה, ג'יי.ג'יי, לינד, ג'יי, וקנטרל, קליפורניה (1985). מנגנונים כימיים לייצור חומצות בטרופוספירה. טבע, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). השפעת תחמוצות חנקן על התוכן האטמוספרי. QJR Metheorol. סוציאלי וויילי-בלקוול. 96: 320-325.
3. Garrels, RM ולרמן, A. (1981). מחזורים פנרוזויים של פחמן משקע וגופרית. הליכי האקדמיה הטבעית למדעים. ארה"ב 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE והריסון, RM (2002). שינוי סביבתי עולמי. החברה המלכותית לכימיה. עמ '205.
5. Hites, RA (2007). אלמנטים של כימיה סביבתית. וויילי-אינטרנסיאנס. עמ '215.
6. Manahan, SE (2000). כימיה סביבתית. מהדורה שביעית. CRC. עמ '876
7. מולינה, MJ ורולנד, FS (1974). כיור סטרטוספרי עבור כלור-פלואורומטנים: הרס אטום כלורתי באוזון. טֶבַע. 249: 810-812.
8. מורל, FM והרינג, JM (2000). עקרונות ויישומים של כימיה מימית. ניו יורק: ג'ון וויילי.
9. סטוקוול, WR, Lawson, CV, Saunders, E., and Goliff, WS (2011). סקירה של הכימיה האטמוספירה הטרופוספרית והמנגנונים הכימיים שלב הגז למודל איכות האוויר. אווירה, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001