UMWELTCHEMIE: STUDIENBEREICH UND ANWENDUNGEN - UMGEBUNG - 2025

Die Umweltchemie untersucht die chemischen Prozesse, die auf Umweltebene stattfinden. Es ist eine Wissenschaft, die chemische Prinzipien auf die Untersuchung der Umweltleistung und der Auswirkungen menschlicher Aktivitäten anwendet.

Darüber hinaus entwickelt die Umweltchemie Präventions-, Minderungs- und Sanierungstechniken für vorhandene Umweltschäden.

Figure 1. Diagramm der Erdatmosphäre, der Hydrosphäre, der Lithosphäre und der Biosphäre. Quelle: Bojana Petrović, aus Wikimedia Commons

Die Umweltchemie kann in drei grundlegende Disziplinen unterteilt werden:

1. Umweltchemie der Atmosphäre.
2. Umweltchemie der Hydrosphäre.
3. Bodenumweltchemie.

Ein umfassender Ansatz zur Umweltchemie erfordert außerdem die Untersuchung der Wechselbeziehungen zwischen den chemischen Prozessen in diesen drei Kompartimenten (Atmosphäre, Hydrosphäre, Boden) und ihren Beziehungen zur Biosphäre.

Umweltchemie der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist die Gasschicht, die die Erde umgibt; Es stellt ein sehr komplexes System dar, bei dem die Temperatur, der Druck und die chemische Zusammensetzung in sehr weiten Bereichen mit der Höhe variieren.

Die Sonne bombardiert die Atmosphäre mit Strahlung und energiereichen Partikeln; Diese Tatsache hat sehr signifikante chemische Auswirkungen in allen Schichten der Atmosphäre, insbesondere aber in den oberen und äußeren Schichten.

-Stratosphäre

Photodissoziations- und Photoionisationsreaktionen treten in den äußeren Bereichen der Atmosphäre auf. In der Region zwischen 30 und 90 km Höhe, gemessen von der Erdoberfläche, in der Stratosphäre, befindet sich eine Schicht, die hauptsächlich Ozon (O ₃ ) enthält, die sogenannte Ozonschicht.

Ozonschicht

Ozon absorbiert hochenergetische ultraviolette Strahlung, die von der Sonne kommt, und ohne diese Schicht könnten keine bekannten Lebensformen auf dem Planeten überleben.

1995 erhielten die Atmosphärenchemiker Mario J. Molina (Mexikaner), Frank S. Rowland (Amerikaner) und Paul Crutzen (Niederländer) den Nobelpreis für Chemie für ihre Forschungen zur Zerstörung und zum Abbau von Ozon in der Stratosphäre.

Figure 2. Schema des Abbaus in der Ozonschicht. Von nasa.gov

1970 zeigte Crutzen, dass Stickoxide Ozon durch katalytische chemische Reaktionen zerstören. Anschließend zeigten Molina und Rowland 1974, dass das Chlor in Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen (FCKW) auch die Ozonschicht zerstören kann.

-Troposphäre

Die als Troposphäre bezeichnete atmosphärische Schicht in der Nähe der Erdoberfläche zwischen 0 und 12 km besteht hauptsächlich aus Stickstoff (N ₂ ) und Sauerstoff (O ₂ ).

Giftige Gase

Aufgrund menschlicher Aktivitäten enthält die Troposphäre viele zusätzliche Chemikalien, die als Luftschadstoffe gelten, wie z.

• Kohlendioxid und Monoxid (CO ₂ und CO).
• Methan (CH ₄ ).
• Stickoxid (NO).
• Schwefeldioxid (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (als Schadstoff in der Troposphäre angesehen)
• Flüchtige organische Verbindungen (VOC), Pulver oder feste Partikel.

Unter vielen anderen Substanzen, die die Gesundheit von Mensch, Pflanze und Tier beeinträchtigen.

Saurer Regen

Schwefeloxide (SO ₂ und SO ₃ ) und Stickoxide wie Lachgas (NO ₂ ) verursachen ein weiteres Umweltproblem, das als saurer Regen bezeichnet wird.

Diese Oxide, die in der Troposphäre hauptsächlich als Produkte der Verbrennung fossiler Brennstoffe bei industriellen Aktivitäten und beim Transport vorhanden sind, reagieren mit Regenwasser unter Bildung von Schwefelsäure und Salpetersäure mit der daraus resultierenden sauren Ausfällung.

Abbildung 3. Schema des sauren Regens. Quelle: Alfredsito94, aus Wikimedia Commons

Durch die Ausfällung dieses Regens, der starke Säuren enthält, werden verschiedene Umweltprobleme wie die Versauerung der Meere und des Süßwassers ausgelöst. Dies führt zum Tod von Wasserorganismen; die Versauerung von Böden, die zum Tod von Pflanzen und zur Zerstörung von Gebäuden, Brücken und Denkmälern durch ätzende chemische Einwirkung führt.

Andere atmosphärische Umweltprobleme sind photochemischer Smog, der hauptsächlich durch Stickoxide und troposphärisches Ozon verursacht wird.

Erderwärmung

Die globale Erwärmung wird durch hohe Konzentrationen von atmosphärischem CO ₂ und anderen Treibhausgasen (THGs) verursacht, die einen Großteil der von der Erdoberfläche emittierten Infrarotstrahlung absorbieren und Wärme in der Troposphäre einfangen. Dies erzeugt den Klimawandel auf dem Planeten.

Umweltchemie der Hydrosphäre

Die Hydrosphäre besteht aus allen Gewässern der Erde: Oberflächen- oder Feuchtgebiete - Ozeane, Seen, Flüsse, Quellen - und Untergrund oder Grundwasserleiter.

-Frisches Wasser

Wasser ist die häufigste flüssige Substanz auf dem Planeten, es bedeckt 75% der Erdoberfläche und ist für das Leben absolut notwendig.

Alle Lebensformen hängen von Süßwasser ab (definiert als Wasser mit einem Salzgehalt von weniger als 0,01%). 97% des Wassers auf dem Planeten ist Salzwasser.

Von den restlichen 3% Süßwasser sind 87% in:

• Die Pole der Erde (die aufgrund der globalen Erwärmung schmelzen und ins Meer strömen).
• Die Gletscher (auch im Verschwinden).
• Grundwasser.
• Wasser in Form von Dampf in der Atmosphäre vorhanden.

Nur 0,4% des gesamten Süßwassers des Planeten stehen zum Verbrauch zur Verfügung. Die Verdunstung von Wasser aus den Ozeanen und die Ausfällung von Regenfällen liefern kontinuierlich diesen kleinen Prozentsatz.

Die Umweltchemie des Wassers untersucht die chemischen Prozesse im Wasserkreislauf oder im Wasserkreislauf und entwickelt auch Technologien zur Reinigung von Wasser für den menschlichen Gebrauch, zur Behandlung von industriellem und städtischem Abwasser, zur Entsalzung von Meerwasser und zum Recycling und Speichern dieser Ressource unter anderem.

-Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf auf der Erde besteht aus drei Hauptprozessen: Verdunstung, Kondensation und Niederschlag, aus denen drei Kreisläufe abgeleitet werden:

1. Oberflächenabfluss
2. Pflanzenevapotranspiration
3. Die Infiltration, bei der das Wasser in unterirdische Ebenen gelangt (phreatisch), zirkuliert durch Grundwasserkanäle und geht durch Quellen, Brunnen oder Brunnen.

Abbildung 4. Wasserkreislauf. Quelle: Wasserkreislauf.png: von: Benutzer: Jooooderivative Arbeit: moyogo, via Wikimedia Commons

-Anthropologische Auswirkungen auf den Wasserkreislauf

Menschliche Aktivitäten haben Auswirkungen auf den Wasserkreislauf. Einige der Ursachen und Wirkungen anthropologischen Handelns sind folgende:

Änderung der Landoberfläche

Es entsteht durch Zerstörung von Wäldern und Feldern mit Abholzung. Dies wirkt sich auf den Wasserkreislauf aus, indem die Evapotranspiration (Wasseraufnahme durch Pflanzen und Rückkehr in die Umwelt durch Schweiß und Verdunstung) beseitigt und der Abfluss erhöht wird.

Die Zunahme des Oberflächenabflusses führt zu einer Zunahme des Flusses von Flüssen und Überschwemmungen.

Die Urbanisierung verändert auch die Landoberfläche und beeinflusst den Wasserkreislauf, da der poröse Boden durch undurchlässigen Zement und Asphalt ersetzt wird, was eine Infiltration unmöglich macht.

Verschmutzung des Wasserkreislaufs

Der Wasserkreislauf umfasst die gesamte Biosphäre und folglich werden vom Menschen erzeugte Abfälle durch verschiedene Prozesse in diesen Kreislauf einbezogen.

Chemische Schadstoffe in der Luft werden in den Regen aufgenommen. Auf den Boden aufgebrachte Agrochemikalien leiden unter Sickerwasser und Infiltration von Grundwasserleitern oder laufen in Flüsse, Seen und Meere ab.

Auch die Abfälle von Fetten und Ölen sowie die Sickerwasser der Sanitärdeponien werden durch Infiltration ins Grundwasser transportiert.

Gewinnung von Wasser mit Überziehung der Wasserressourcen

Diese Überziehungspraktiken führen zu einer Erschöpfung der Grundwasser- und Oberflächenwasserreserven, wirken sich auf die Ökosysteme aus und führen zu einer lokalen Absenkung des Bodens.

Bodenumweltchemie

Böden sind einer der wichtigsten Faktoren für das Gleichgewicht der Biosphäre. Sie versorgen Pflanzen, die Produzenten der terrestrischen trophischen Ketten sind, mit Verankerung, Wasser und Nährstoffen.

Boden

Der Boden kann als komplexes und dynamisches Ökosystem aus drei Phasen definiert werden: einer festen Phase mit mineralischem und organischem Träger, einer wässrigen flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase; gekennzeichnet durch eine bestimmte Fauna und Flora (Bakterien, Pilze, Viren, Pflanzen, Insekten, Nematoden, Protozoen).

Die Eigenschaften des Bodens werden ständig durch die Umweltbedingungen und die darin entstehende biologische Aktivität verändert.

Anthropologische Auswirkungen auf den Boden

Bodendegradation ist ein Prozess, der die Produktionskapazität des Bodens verringert und eine tiefgreifende und negative Veränderung des Ökosystems bewirken kann.

Die Faktoren, die zu Bodendegradation führen, sind: Klima, Physiographie, Lithologie, Vegetation und menschliches Handeln.

Abbildung 5. Abgebauter Boden. Quelle: pexels.com

Durch menschliches Handeln kann Folgendes auftreten:

• Physikalische Verschlechterung des Bodens (z. B. Verdichtung durch unsachgemäße Bewirtschaftung und Viehzucht).
• Chemischer Abbau des Bodens (Versauerung, Alkalisierung, Versalzung, Verunreinigung mit Agrochemikalien, Abwässern aus industrieller und städtischer Tätigkeit, Ölverschmutzung ua).
• Biologischer Abbau des Bodens (Abnahme des Gehalts an organischer Substanz, Abbau der Vegetationsbedeckung, Verlust von stickstofffixierenden Mikroorganismen ua).

Beziehung zwischen Chemie und Umwelt

Die Umweltchemie untersucht die verschiedenen chemischen Prozesse, die in den drei Umweltkompartimenten ablaufen: Atmosphäre, Hydrosphäre und Boden. Es ist interessant, einen zusätzlichen Ansatz für ein einfaches chemisches Modell zu überprüfen, mit dem versucht wird, die globalen Materietransfers in der Umwelt zu erklären.

-Modell Garrels und Lerman

Garrels und Lerman (1981) entwickelten ein vereinfachtes Modell der Biogeochemie der Erdoberfläche, das die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre, Erdkruste und den eingeschlossenen Biosphärenkompartimenten untersucht.

Das Garrels and Lerman-Modell berücksichtigt sieben Hauptbestandteile des Planeten:

1. Gips (CaSO ₄ )
2. Pyrit (FeS ₂ )
3. Calciumcarbonat (CaCO ₃ )
4. Magnesiumcarbonat (MgCO ₃ )
5. Magnesiumsilikat (MgSiO ₃ )
6. Eisenoxid (Fe ₂ O ₃ )
7. Siliziumdioxid (SiO ₂ )

Der Bestandteil der organischen Substanz der Biosphäre (sowohl lebend als auch tot) wird als CH ₂ O dargestellt, was die ungefähre stöchiometrische Zusammensetzung lebender Gewebe darstellt.

In Garrels und Lermans Modell werden geologische Veränderungen als Nettotransfers von Materie zwischen diesen acht Komponenten des Planeten durch chemische Reaktionen und ein Nettomassenerhaltungsgleichgewicht untersucht.

Die Anreicherung von CO

Zum Beispiel wird das Problem der Anreicherung von CO ₂ in der Atmosphäre in diesem Modell untersucht. Dabei heißt es: Derzeit verbrennen wir den in der Biosphäre gespeicherten organischen Kohlenstoff als Kohle, Öl und Erdgas, die in geologischen Zeiten im Untergrund abgelagert wurden .

Infolge dieser intensiven Verbrennung fossiler Brennstoffe steigt die Konzentration von atmosphärischem CO ₂ .

Der Anstieg der CO ₂ -Konzentrationen in der Erdatmosphäre ist darauf zurückzuführen, dass die Geschwindigkeit der Verbrennung fossilen Kohlenstoffs die Geschwindigkeit der Kohlenstoffabsorption durch die anderen Komponenten des biogeochemischen Systems der Erde (wie photosynthetische Organismen und) übersteigt Hydrosphäre zum Beispiel).

Auf diese Weise übertrifft die Emission von CO ₂ in die Atmosphäre aufgrund menschlicher Aktivitäten das Regulationssystem, das Veränderungen auf der Erde moduliert.

Die Größe der Biosphäre

Das von Garrels und Lerman entwickelte Modell berücksichtigt auch, dass die Größe der Biosphäre aufgrund des Gleichgewichts zwischen Photosynthese und Atmung zunimmt und abnimmt.

Während der Geschichte des Lebens auf der Erde nahm die Masse der Biosphäre schrittweise mit hohen Photosyntheseraten zu. Dies führte zu einer Nettospeicherung von organischem Kohlenstoff und einer Emission von Sauerstoff:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Die Atmung als Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen und höheren Tieren wandelt organischen Kohlenstoff wieder in Kohlendioxid (CO ₂ ) und Wasser (H ₂ O) um, dh sie kehrt die vorherige chemische Reaktion um.

Das Vorhandensein von Wasser, die Speicherung von organischem Kohlenstoff und die Produktion von molekularem Sauerstoff sind für die Existenz von Leben von grundlegender Bedeutung.

Anwendungen der Umweltchemie

Die Umweltchemie bietet Lösungen zur Vorbeugung, Minderung und Beseitigung von Umweltschäden, die durch menschliche Aktivitäten verursacht werden. Unter einigen dieser Lösungen können wir erwähnen:

• Das Design neuer Materialien namens MOFs (Metal Organic Frameworks). Diese sind sehr porös und haben die Fähigkeit: CO ₂ zu absorbieren und zurückzuhalten , H ₂ O aus dem Luftdampf in Wüstengebieten zu gewinnen und H ₂ in kleinen Behältern zu lagern .
• Die Umwandlung von Abfällen in Rohstoffe. Zum Beispiel die Verwendung abgenutzter Reifen bei der Herstellung von Kunstrasen oder Schuhsohlen. Auch die Verwendung von Schnittabfällen bei der Erzeugung von Biogas oder Bioethanol.
• Chemische Synthesen von FCKW-Ersatzstoffen.
• Die Entwicklung alternativer Energien wie Wasserstoffzellen zur Erzeugung umweltfreundlichen Stroms.
• Die Kontrolle der Luftverschmutzung mit inerten Filtern und reaktiven Filtern.
• Entsalzung von Meerwasser durch Umkehrosmose.
• Entwicklung neuer Materialien zur Flockung von in Wasser suspendierten kolloidalen Substanzen (Reinigungsverfahren).
• Die Umkehrung der Eutrophierung des Sees.
• Die Entwicklung der "grünen Chemie", ein Trend, der den Ersatz toxischer chemischer Verbindungen durch weniger toxische und "umweltfreundliche" chemische Verfahren vorschlägt. Beispielsweise wird es bei der Verwendung weniger giftiger Lösungsmittel und Rohstoffe in der Industrie unter anderem bei der chemischen Reinigung von Wäschereien eingesetzt.

Verweise

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