Il destino chimico dei gas presenti in traccia nell’aria non inquinata

REACH & CLPChimica dell'ambiente

Il destino chimico dei gas presenti in traccia nell’aria non inquinata

• oltre ai costituenti stabili dell’atmosfera – N2, O2, Ar, CO2, H2O

• la troposfera contiene un numero di altre sostanze gassose presenti in concentrazioni minime– esistendo per esse efficienti pozzi che ne impediscono

l’accumulo.

• dalle attività biologiche e vulcaniche l’atmosfera riceve regolarmente rifornimenti di gas parzialmente ossidati – il monossido di carbonio CO, – il biossido di zolfo (o anidride solforosa) SO2, – altri gas come H2S e NH3



Gas emessi nell’atmosfera da fonti naturali

Formula Nome Principali fonti naturali Emivita nell’atmosfera

NH3 Ammoniaca Decomposizione biologica anaerobia Giorni

H2S Solfuro di idrogeno Decomposizione biologica anaerobia Giorni

HCl Acido cloridrico Decomposizione biologica anaerobia Giorni

SO2 NO COCH4

Biossido di zolfo Ossido di azoto Monossido di carbonio Metano

VulcaniLampi e fulminiOssidazione di CH4, incendiDecomposizione biologica anaerobia

Giorni GiorniMesiAnni

CH3ClCH3Br CH3I

MetilcloruroMetilbromuroMetilioduro

OceaniOceaniOceani

AnniAnniAnni



• Sebbene gran parte di questi gas naturali sia gradualmente ossidata all’aria, – nessuno di loro reagisce direttamente con l’ossigeno biatomico; – le loro reazioni iniziano tutte con l’attacco del radicale libero ossidrile,

OH,

• nonostante la concentrazione di questa specie chimica nell’aria sia estremamente ridotta, in media circa un milione di molecole per cm3. – Nell’aria troposferica non inquinata, il radicale OH viene prodotto per

reazione del vapore acqueo con una piccola frazione degli atomi di ossigeno eccitati prodotti dalla decomposizione fotochimica delle quantità di ozono atmosferico;

– la reazione comporta l’estrazione di un atomo di idrogeno da ogni molecola di acqua che reagisce:

*23 OOO BUV

OHOHO 2* 2



• La vita media nella troposfera di un radicale ossidrile è di circa un secondo– esso reagisce rapidamente con uno o l’altro dei numerosi gas

dell’atmosfera.

• Poiché la vita media di un radicale ossidrile è breve, ed è necessaria la luce solare per produrne, – la concentrazione di OH cade rapidamente di notte.

• Il radicale libero OH è reattivo nei confronti di – un’ampia varietà di altre molecole, tra cui gli idruri del carbonio,

dell’azoto e dello zolfo – di molte molecole contenenti legami multipli (doppi o tripli)

compresi CO e SO2.



• Sebbene a lungo sospettata di svolgere un ruolo fondamentale nella chimica dell’aria, – la presenza dei radicali OH nella troposfera è stata confermata

solo recentemente poiché la concentrazione di questo radicale è estremamente bassa.

• La grande importanza del radicale OH nella chimica della troposfera deriva dal fatto che esso, non l’O2, – inizia la reazione di ossidazione di tutti i gas della tabella (con

eccezione di HCl).

• In assenza di OH, e della specie reattiva correlata HOO, – questi gas non potrebbero essere efficacemente allontanati

dalla troposfera e con essi molti gas inquinanti quali gli idrocarburi incombusti emessi dai veicoli.



• Il radicale OH– “l’aspirapolvere” o “il detergente dell’atmosfera”.

• Le reazioni cui esso da il via – rappresentano la “combustione” senza fiamma a temperatura

ambiente – dei gas ridotti nella bassa atmosfera.

• Se questi gas si accumulassero, – la composizione dell’atmosfera sarebbe assai differente e così

le forme di vita capaci di vivere sulla Terra.



• Il radicale OH – non reagisce con l’ossigeno molecolare, al contrario di molti altri

radicali liberi, né con l’azoto molecolare • esso può sopravvivere abbastanza a lungo per poter reagire con molte

altre specie chimiche.

• Un esempio di reazione cui da il via il radicale OH – l’ossidazione netta del gas metano, CH4, nel prodotto della sua

completa ossidazione, il biossido di carbonio, CO2:

• Gli alogenuri di idrogeno (HF, HCl, HBr) e gas completamente ossidati come il biossido di carbonio nella troposfera, sono relativamente non reattivi – finiscono per essere depositati alla superficie terrestre, spesso dopo

essere stati disciolti nell’acqua della pioggia.

OHCOOCH OH2224 22


L’ozono nelle città: il processo dello smog fotochimico

• L’inquinamento atmosferico – la presenza in atmosfera di sostanze che nella naturale

composizione dell’aria non sono presenti o sono presenti ad un livello di concentrazione inferiore, e che producono un effetto misurabile sull’uomo, sugli animali, sulla vegetazione o i materiali.

• Responsabili principali dell'inquinamento atmosferico sono – i veicoli con motore a scoppio, – le industrie, – le centrali termoelettriche, – i combustibili per il riscaldamento domestico, – la combustione dei rifiuti specie se realizzata senza di adatti

impianti di abbattimento delle polveri e di depurazione dei fumi…



• I principali inquinanti primari – emessi dai processi di combustione di qualunque natura:

• idrocarburi incombusti, • il monossido di carbonio, • gli ossidi di azoto (principalmente sotto forma di

monossido) • materiale particellare. • anidride solforosa nel caso in cui i combustibili contengano

zolfo

• A seguito dell’emissione in atmosfera, gli inquinanti primari sono soggetti a: – processi di diffusione, trasporto e deposizione, – processi di trasformazione chimico-fisica che possono portare

alla formazione di nuove specie inquinanti, che spesso risultano più tossici e di più vasto raggio d'azione degli inquinanti originari.



• La dispersione degli inquinanti in atmosfera, – determinata dai fenomeni di diffusione turbolenta e di trasporto delle

masse d’aria,

• la loro rimozione, – determinata dai processi di deposizione,

sono strettamente dipendenti dal comportamento dinamico dei bassi strati dell’atmosfera.

• Per lo studio del comportamento degli inquinanti primari – è necessario sia conoscere il profilo qualitativo, quantitativo e

temporale delle emissioni, – avere informazioni sui processi meteorologici che regolano il

comportamento dinamico della bassa troposfera (classi di stabilità, direzione ed intensità del vento).



• In molte aree urbane del mondo si verificano episodi di inquinamento atmosferico – in conseguenza di reazioni foto-chimiche a carico degli

inquinanti. – vengono raggiunti valori relativamente elevati di

concentrazione a livello del suolo dell'ozono, O3, - un costituente dell'aria indesiderabile alle basse quote

• Questo fenomeno è detto smog fotochimico – è definito come «strato dell'ozono nel posto sbagliato» per

distinguerlo dal problema della diminuzione dell'ozono atmosferico discusso precedentemente.


SMOG FOTOCHIMICO

Lo smog si forma attraverso un processo che implica

• centinaia di reazioni diverse

• che avvengono contemporaneamente

• a cui partecipano dozzine di prodotti chimici.


SMOG FOTOCHIMICO

una delle forme di inquinamento più dannose per l’ecosistema.

L’uso del termine SMOG è dovuto alla forte riduzione della visibilità

che si determina nel corso degli episodi di inquinamento fotochimico,

dovuta alla formazione di un grande numero di particelle di notevoli dimensioni.


Smog fotochimico: ingredienti• I principali prodotti che innescano un episodio di

smog fotochimico – ossido di azoto, NO, – molecole incombuste di idrocarburi (cioè composti contenenti

solo carbonio e idrogeno) La concentrazione di queste sostanze è ordini di grandezza superiore a quella delle stesse nell'aria non inquinata.

– composti organici volatili, o COV (le sostanze comprendenti gli idrocarburi, e i loro derivati che evaporano con facilità)

– la luce solare, che aumenta la concentrazione dei radicali liberi che partecipano ai processi chimici di formazione dello smog.


Smog fotochimico: prodotti

• I prodotti finali dello smog sono – ozono, acido nitrico, – composti organici parzialmente ossidati – e, in alcuni casi, nitrati.


Smog fotochimico: prodotti• NO., idrocarburi e altri COV emessi inizialmente nell'aria

– inquinanti primari,

• i prodotti, quali O3 e HNO3, in cui essi si trasformano, – inquinanti secondari.

• I più reattivi tra i COV presenti nell'aria delle città – gli idrocarburi contenenti un doppio legame C=C

• in quanto tali composti possono generare radicali liberi.

• Anche altri idrocarburi sono presenti e possono reagire, – ma la velocità delle loro reazioni è modesta– le reazioni di queste sostanze possono divenire importanti

nelle fasi più avanzate degli episodi di smog fotochimico.


Smog fotochimico: prodotti• I gas inquinanti contenenti ossidi di azoto

– sono prodotti da qualsiasi combustione con fiamma di combustibili fossili in presenza di aria.

• Alle elevate temperature così raggiunte– parte dell'azoto e dell'ossigeno gassosi presenti nell'aria si

combinano tra loro per formare ossido di azoto, NO:

• Quanto più elevata è la temperatura della fiamma tanto maggiore è la quantità di NO. prodotta.

• L'ossido di azoto viene gradualmente ossidato a biossido di azoto, NO2, – in tempi variabili da minuti a ore, a seconda della

concentrazione dei gas inquinanti.


Smog fotochimico: prodotti• Nel loro insieme, NO e NO2: ossidi di azoto, NOx. • Le modeste quantità di NOx presenti nell'aria non inquinata

– dalla reazione che si verifica nell'ambiente altamente energetico causato dai fulmini

– in parte dalla liberazione da fonti biologiche.

• la reazione tra N2 e O2 è trascurabile (ha una elevata energia di attivazione), e procede lentamente – eccetto che alle elevate temperature che si verificano nei motori a

combustione degli autoveicoli (in particolare durante la marcia ad elevata velocità)

– nelle centrali elettriche.

• Quindi tra i processi di formazione di inquinanti secondari, – particolare importanza è assunta dalla serie di reazioni che avvengono

fra gli ossidi di azoto e gli idrocarburi in presenza di luce solare.


Questa catena di reazioni porta:

• all’ossidazione del monossido di azoto (NO) a biossido di azoto (NO2),

• alla produzione di ozono (O3)

• all’ossidazione degli idrocarburi, con formazione di perossiacetilnitrato (PAN), formaldeide, acido nitrico, nitrati e nitroderivati in fase particellare,

• e centinaia di altre specie chimiche minori.


Come si innesca un processo di

SMOG FOTOCHIMICO • luce solare,

• ossidi di azoto e composti organici volatili;

il processo è favorito da una temperatura atmosferica elevata.


Gli ossidi di azoto i composti organici volatili

sono fra i componenti principali delle emissioni nelle aree urbane.

quindi

le città poste nelle aree geografiche caratterizzate da radiazione solare intensa e temperatura elevata, come aree mediterranee,

costituiscono dei candidati ideali allo sviluppo di episodi di inquinamento fotochimico intenso.


NELLA BASSA STRATOSFERA l’ozono si forma dalla reazione dell’ossigeno atmosferico con l’ossigeno atomico prodotto dalla fotolisi del biossido di azoto,

O3 + NO O2 + NO2

NO2 (UV) NO + O

O + O2 + M O3 + M

l’ozono formato viene a sua volta rimosso dal monossido di azoto, con nuova formazione di NO2:


Nelle atmosfere non inquinate,

ove non sono presenti altre specie chimiche in concentrazione apprezzabile, questa serie di reazioni costituisce

ciclo fotostazionario dell’ozono

senza possibilità di inquinamento fotochimico.


Il passaggio fondamentale affinché l’atmosfera si possa arricchire di ozono e di

altre specie fotossidanti è costituito dalla formazione di NO2 attraverso vie alternative, che non implicano la rimozione di ozono.La principale via alternativa per la formazione di NO2

è costituita dall’ossidazione di NO ad opera dei radicali perossido (RO2): si formano dalla degradazione di molecole di idrocarburi

volatili (RH) e dalla loro successiva reazione con l’ossigeno atmosferico.

RH + OH. R. + H2OR. + O2 RO2

.

RO2. + NO RO.

+ NO2


L’OZONO• l’ozono

non è solo il prodotto quantitativamente più importante dei processi di inquinamento fotochimico,

ma è anche parte del "combustibile" che attiva il processo

• l’acido nitroso e la formaldeide, sono precursori di radicali OH hanno a loro volta una via di formazione

essenzialmente secondaria a partire da specie coinvolte nei processi fotochimici

biossido di azoto per l’acido nitroso idrocarburi e radicali oppure ozono per la formaldeide.


La genesi di un evento di smog fotochimico

1.Un’atmosfera ricca di inquinanti primari:ossidi di azoto e idrocarburi volatiliprecursori di radicali OH, come acido nitroso, formaldeide e ozono

viene investita dalla radiazione solare UV



2.La radiazione UV provoca la fotolisi di acido nitroso, formaldeide ed ozono (in ordine crescente di livello di energia ultravioletta necessaria per la fotolisi),

con produzione di radicali OH.



3.I radicali OH attaccano varie specie di idrocarburi volatili reattivi,

innescando una serie di reazioni a catena

• degradazione delle molecole di idrocarburi • formazione di radicali perossido.



4.il biossido di azoto, per fotolisi, produce ozono, rigenerando una molecola di NO

che torna ad essere disponibile per una nuova ossidazione



5.i radicali RO2 ossidano il monossido di azoto, producendo NO2

ogni radicale partecipa a parecchi cicli di conversione di NO ad NO2 prima di estinguersi.



In alternativa,

il biossido di azoto reagisce

• con radicali OH, formando acido nitrico,

• o con radicali perossiacetile formando perossiacetilnitrato (prodotti terminali che esauriscono la catena di reazioni)

e viene in tal caso rimosso dal ciclo fotochimico. *


… LE PIOGGE ACIDE …Con il termine piogge acide

processo di ricaduta dall’atmosfera di particelle, gas e precipitazioni acide. Se questa deposizione acida avviene sotto forma di precipitazioni (piogge, neve, nebbie, rugiade, ecc.) si parla di deposizione umida,

in caso contrario il fenomeno consiste in una deposizione secca.


… LE PIOGGE ACIDE …Le piogge acide sono causate essenzialmente

• dagli ossidi di zolfo (SOx) • in parte minore, dagli ossidi d'azoto (NOx),

presenti in atmosfera sia per cause naturali che per effetto delle attività umane.

Se non entrano in contatto con delle goccioline d’acqua, questi gas e soprattutto i particolati acidi che da loro si formano pervengono al suolo tramite deposizione secca.


… LE PIOGGE ACIDE …Questa deposizione può avvenire secondo meccanismi differenti dettati principalmente:

• dalle dimensioni delle particelle (per impatto e gravità),

• dallo stato d’aria a contatto con la superficie ricevente

• dalla struttura chimica e fisica della superficie stessa.


… LE PIOGGE ACIDE:accelerano il decadimento dei materiali da costruzione e delle vernici;

compromettono poi la bellezza ed il decoro degli edifici, delle statue e delle sculture patrimonio culturale di ogni nazione.

Prima di raggiungere il suolo, i gas SOx e NOx e i loro derivati, solfati e nitrati, contribuiscono ad un peggioramento della visibilità con danni alla salute umana.


… LE PIOGGE ACIDE …

Precipitazioni significativamente più acide della pioggia normale, già di per se moderatamente acida per la presenza di CO2 atmosferica disciolta che forma acido carbonico

CO2 + H2O(aq) H2CO3 (aq)

H2CO3 (aq) H+ + HCO3- pH = 5.6

pH < 5


… LE PIOGGE ACIDE …Le due specie acide che predominano in una pioggia acida sono:

Tali acidi si formano durante il trasporto della massa d’aria che contiene gli inquinanti primari.

H2SO4 (da SO2)

HNO3 (da NOx)


… LE PIOGGE ACIDE …SOx

Normalmente gli ossidi di zolfo presenti in atmosfera sono: l’anidride solforosa (SO2)

l’anidride solforica (SO3);

questi composti vengono anche indicati con il termine comune SOx.


SO2 …

L’anidride solforosa o biossido di zolfo è un gas incolore, irritante, non infiammabile, molto solubile in acqua e dall’odore pungente.

Dato che è più pesante dell’aria tende a stratificarsi nelle zone più basse.


… SO2 …Deriva dalla ossidazione dello zolfo

nel corso dei processi di combustione delle sostanze che contengono questo elemento sia come impurezza (come i combustibili fossili) che come costituente fondamentale.

Rappresenta l’inquinante atmosferico per eccellenza essendo il più diffuso, uno dei più aggressivi e pericolosi e di gran lunga quello più studiato ed emesso in maggior quantità dalle sorgenti antropogeniche.


SO3 …

Dall’ossidazione dell’anidride solforosa si origina l’anidride solforica o triossido di zolfo

che reagendo con l’acqua, sia liquida che allo stato di vapore,

origina rapidamente l’acido solforico, responsabile in gran parte del fenomeno delle piogge acide.


FONTI INQUINANTI SOx … Le emissioni naturali di biossido di zolfo sono principalmente dovute all’attività vulcanica (circa 20 milioni di tonnellate l’anno).

Le emissioni antropogeniche rappresentano più di 150 milioni di tonnellate all’anno e sono dovute principalmente ai processi di combustione dei combustibili fossili e liquidi (carbone, petrolio, gasolio)

oltre il 90% del biossido di zolfo viene prodotto nell’emisfero Nord.


FONTI INQUINANTI SOx …

Il carbon fossile ha un contenuto di zolfo che varia dallo 0,1 al 6% e il petrolio greggio dallo 0,05 al 4,5%.

Oltre il 90% dello zolfo presente nel combustibile viene trasformato in biossido di zolfo (lo 0,5-2% viene trasformato in anidride solforica ed il resto rimane nelle ceneri sotto forma di solfati).


FONTI INQUINANTI SOx … Rilevanti sono anche le emissioni:

• nei processi di produzione dell’acido solforico, • nella lavorazione di molte materie plastiche, • nella desolforazione dei gas naturali, • nell’arrostimento delle piriti, • nell’incenerimento dei rifiuti;

l’apporto inquinante dato dalle emissioni dei mezzi di trasporto appare invece trascurabile.


FONTI INQUINANTI SOx … L’emissione di biossido di zolfo in Italia è

approssimativamente dovuta:

• per il 5% al riscaldamento domestico, • per il 40% ai processi industriali comprese le

combustioni • per il 50% alla produzione di energia elettrica ad opera

delle centrali termoelettriche; • insieme le altre sorgenti contribuiscono per un valore

pari al 5%.


NOx … Pur essendo presenti in atmosfera diverse specie di ossidi di azoto,

per quanto riguarda l’inquinamento dell’aria si fa quasi esclusivamente riferimento al termine NOx

che sta ad indicare la somma pesata del monossido di azoto (NO) e del biossido di azoto (NO2).


NO …

E’ prodotto soprattutto nel corso dei processi di combustione ad alta temperatura assieme al biossido di azoto (che costituisce meno del 5% degli NOx totali emessi).

La tossicità del monossido di azoto è limitata, al contrario di quella del biossido di azoto che risulta invece notevole.

L’ossido di azoto è un gas incolore, insapore ed inodore; è anche chiamato ossido nitrico.


NO2 …

è un gas tossico di colore giallo-rosso, dall’odore forte e pungente con grande potere irritante

è un energico ossidante, molto reattivo altamente corrosivo.

Esiste nelle due forme N2O4 (forma dimera) e NO2 che si forma per dissociazione delle molecole dimere.

L’ossido di azoto viene poi ossidato in atmosfera dall’ossigeno e più rapidamente dall’ozono producendo biossido di azoto.


… NO2 …Rappresenta un inquinante secondario dato che deriva, per lo più, dall’ossidazione in atmosfera del monossido di azoto. Svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog fotochimico è l’intermedio di base per la produzione di tutta una serie di inquinanti secondari molto pericolosi come:

l’ozono, acido nitrico, acido nitroso, gli alchilnitrati, i perossiacetililnitrati.


FONTI INQUINANTI NOx … Su scala globale si stima che le emissioni di ossidi di azoto naturali ed antropogeniche siano dello stesso ordine di grandezza (circa 200 milioni di tonnellate).

Le sorgenti naturali sono costituite essenzialmente dalle decomposizioni organiche anaerobiche che riducono i nitrati a nitriti;

i nitriti in ambiente acido formano acido nitroso che, essendo instabile, libera ossidi di azoto.

Da segnalare anche l’azione dei fulmini, gli incendi e le emissioni vulcaniche.


FONTI INQUINANTI NOx … La principale fonte antropogenica di ossido di azoto è data dalle combustioni ad alta temperatura:

quelle che avvengono nei motori degli autoveicoli: l’elevata temperatura che si origina durante lo

scoppio provoca la reazione fra l’azoto dell’aria e l’ossigeno formando monossido di azoto. La quantità prodotta è tanto più elevata

quanto maggiore è la temperatura di combustione e quanto più veloce è il successivo raffreddamento dei gas prodotti, che impedisce la decomposizione in azoto ed ossigeno.


Fonti e abbattimento di SO2

• la maggior parte della SO2 atmosferica da fonti naturali– viene prodotta dai vulcani e dall'ossidazione dei gas

contenenti zolfo prodotti dalla decomposizione del materiale vegetale morto.

• la concentrazione di questo gas prodotto da queste

fonti naturali nell'aria non inquinata è piuttosto modesta.– viene in gran parte emesso negli strati più alti

dell'atmosfera o lontano dai centri abitati.


Fonti e abbattimento di SO2

• La principale fonte di SO2 legata alle attività umane è la combustione effettuata soprattutto nelle centrali termoelettriche, del carbone, – un solido che a seconda delle miniere da cui viene estratto

contiene tra1-5% di zolfo.

• Circa la metà di questo zolfo è intrappolato sotto forma di “inclusioni” che fanno parte del contenuto di minerali carbone; – se il carbone viene polverizzato prima della combustione,

questo tipo di zolfo può essere allontanato meccanicamente. – l'altra metà dello zolfo si trova legato nella complessa struttura

chimica del carbone e non può esserne allontanato senza sottoporre il carbone a costose lavorazioni.


Fonti e abbattimento di SO2• Lo zolfo è presente nel petrolio greggio

– nella quantità di qualche punto percentuale, ma il suo tasso, in prodotti quali la benzina, viene ridotto al livello di soli pochi centesimi di ppm.

• L'industria petrolifera emette nell'aria il biossido di zolfonelle operazioni di raffinazione del petrolio o di ripulitura del gas naturale prima immissione nella rete di distribuzione. – come SO2 o come H2S

• Le notevoli quantità di solfuro di idrogeno ottenute dall'allontanamento di questo dal petrolio e dal gas naturale– spesso sono trasformate in zolfo elementare solido, una

sostanza che non produce danni ambientali, grazie a un processo in fase gassosa noto come reazione di Claus:


Fonti e abbattimento di SO2• Altri gas contenenti zolfo in forma altamente ridotta

sono emessi nell'aria come inquinanti dall'industria petrolchimica:

• CH3SH, (CH3)2S e CH3SSCH3.

• L'espressione zolfo ridotto totale – viene usata per indicare la concentrazione totale di zolfo

contenuto nell'H2S e in questi tre composti.


Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico

• Il principale inquinante dell'aria, l'NO, non è particolarmente solubile in acqua e l'acido prodotto dal biossido di zolfo sciolto in acqua è debole; – quindi gli inquinanti primari, NO ed SO2, di per sé non rendono

l'acqua piovana particolarmente acida.

• Tuttavia, in un periodo variabile da ore a giorni, – alcuni di questi inquinanti primari vengono trasformati negli

inquinanti secondari acido solforico, H2SO4, e acido nitrico, HNO3, acidi forti molto solubili in acqua.

– la presenza di questi due acidi è responsabile di quasi tutta l'acidità contenuta nelle piogge acide.



• Oltre che tramite le precipitazioni, – quantità rilevanti di acidi si depositano sul terreno attraverso la

cosiddetta deposizione secca,

• Deposizione secca– un processo consistente nella deposizione di prodotti chimici

non acquosi sulle superfici solide e liquide a livello del suolo, – si verifica quando l'aria contenente le sostanze passa su tali

superfici depositandole come inquinanti.



• Gran parte della SO2 non viene mai ossidata nell'aria, da dove si allontana con la deposizione secca prima che possa reagire trasformandosi in acido solforico.

• L'entità degli effetti sulla vita biologica delle precipitazioni acide in una data regione – dipende fortemente dalla composizione del suolo e

delle rocce sottostanti.• Aree fortemente colpite

– sono quelle i cui le masse rocciose sono costituite da granito o quarzo, poiché il terreno associato a queste ha una modesta capacità di neutralizzare l'acidità.



• nel caso in cui la roccia di base sia costituita da calcare o gesso, – l'acidità può essere efficacemente neutralizzata (“tamponata”)

dato che tali rocce sono costituite da carbonato di calcio, CaCO3 che agisce da base reagendo con l'acido:

• Le medesime reazioni sono responsabili del deterioramento delle statue e dei fregi di calcare e di marmo.



• L’acidità delle precipitazioni causa il deterioramento del suolo.

• Quando il pH del terreno, si abbassa, – sostanze nutritive per le piante come i cationi potassio, calcio e

magnesio si scambiano con gli ioni H+ e vengono quindi dilavati.

• È una caratteristica dei laghi acidificati la presenza di elevate concentrazioni di ioni alluminio, Al3+ , in soluzione. – L'alluminio proviene dal dilavamento delle rocce ad opera degli

idrogenioni– in condizioni di pH neutro, gli ioni alluminio vengono immobilizzati

nelle rocce grazie alla loro ridotta solubilità.

• gli scienziati ritengono che sia l'acidità di per sé, sia le elevate concentrazioni di alluminio siano responsabili della grave diminuzione della popolazione ittica che è stata osservata in molti bacini idrici acidificati.



• Gli alberi sono sottoposti a un grave stress dovuto – sia dall'acidità delle piogge che cadono sulle foreste delle aree

interessate, – sia dalla presenza dell'ozono e di altre sostanze ossidanti

nell'aria cui sono esposti.

• Tale stress da solo non sarebbe sufficiente a ucciderli – ma essi divengono molto più vulnerabili quando lo stress da

inquinamento si associa ad aridità, temperature estreme, malattie o attacco di insetti.

• L'ozono presente a livello dei suolo – effetto su alcune piante coltivate a causa della sua reattività

chimica. – reagisce con l'etilene, un gas emesso dalla pianta, generando

radicali liberi che danneggiano i tessuti vegetali.


EFFETTO SERRA E IL RISCALDAMENTO PLANETARIO

progressiva tendenza all’aumento della temperatura media dell’aria

in conseguenza della massiccia immissione nell’atmosfera di

biossido di carbonio e altri gas responsabili di tale fenomeno.


MECCANISMIIl bilancio energetico della terra …

L’atmosfera e la superficie terrestre vengono riscaldati in primo luogo dall’energia proveniente dal sole.

La componente quantitativamente più importante dell’irradiazione solare

è nell’intervallo della luce visibile tra 400 nm (componente violetta) e 750 nm (componente rossa).


Gran parte della luce ultravioletta solare ( < 400 nm)

viene filtrata nella stratosfera riscaldando l’aria di tale regione piuttosto che il suolo terrestre.

Oltre 750 nm (rosso), la radiazione solare contiene ancora la radiazione IR (800-4000 nm).

… Il bilancio energetico della terra …


Come qualsiasi corpo caldo, la terra emette energia.

Affinché la sua temperatura resti costante, le quantità di energia assorbita ed emessa devono essere uguali.

L’energia emessa appartiene alla componente IR

(4 < < 50 nm)

chiamata IR termico perché la sua energia si manifesta come calore.



Poiché alcuni gas presenti nell’aria possono assorbire provvisoriamente determinate lunghezze d’onda della radiazione IR termica,

non tutta la radiazione IR emessa dall’atmosfera e dalla superficie terrestre sfugge nello spazio.



L’assorbimento di radiazioni da parte di una molecola di gas

provoca riemissione in tutte le direzioni in modo casuale

questa radiazione IR

in parte ritorna alla superficie terrestre dove viene assorbita andando a riscaldare la superficie e l’aria sovrastante.



Il fenomeno del ritorno a terra della radiazione termica

è detto effetto serra

responsabile del fatto che la temperatura media della superficie terrestre è di 15°C anziché di –15°C (temperatura in assenza di atmosfera).

E’ grazie all’effetto serra che il nostro pianeta non è ricoperto da una spessa lastra di ghiaccio.



I gas presenti nell’atmosfera che in passato sono stati la causa della maggior parte del riscaldamento imputabile all’effetto serra sono

H2O (2/3 dell’effetto)

CO2 (1/4)

In effetti, l’assenza di H2O nell’aria secca sopra le zone desertiche è la causa delle basse temperature notturne

rispetto alle elevate temperature diurne dovute all’assorbimento diretto dell’energia solare.



Luce visibile del sole

Radiazione IR

Ritorno IR nello spazio

Molecole di gas ad effetto serra

Ritorno IR verso la terra



La luce viene assorbita in modo più completo quando la sua frequenza è la stessa di quella di un moto interno delle molecole con cui questa interagisce.

Nel caso di frequenze che cadono nella regione IR, i movimenti interessati sono quelli vibrazionali relativi degli atomi della molecola: (a) vibrazione da tensione di legame: X-Y X---Y (b) vibrazione da flessione di legame:

Vibrazioni molecolari

Y

X Y

Y

X Y


… Il bilancIo energetico della terra … GAS SERRA



Il vapor d’acqua è presente in atmosfera in seguito all’evaporazione da tutte le fonti idriche (mari, fiumi, laghi, ecc.) e come prodotto delle varie combustioni.

L’anidride carbonica è rilasciata in atmosfera soprattutto quando vengono bruciati rifiuti solidi, combustibili fossili (olio, benzina, gas naturale e carbone), legno e prodotti derivati dal legno.



Il metano viene emesso durante la produzione ed il trasporto di carbone, del gas naturale e dell’olio minerale,

Grandi emissioni di metano • avvengono anche in seguito alla decomposizione della

materia organica nelle discariche • alla normale attività biologica degli organismi superiori

(soprattutto ad opera dei quasi 2 miliardi di bovini presenti sulla terra).


In primavera ed in estate grandi quantità di CO2 sono allontanate dall’aria per effetto della fotosintesi clorofilliana delle piante.

… GAS SERRA

La decomposizione biologica dei tessuti vegetali che si verifica in autunno e inverno restituisce il CO2 precedentemente utilizzato.

CO2

Il CO2 intrappolato (fissato) nella forma polimerica), (CH2O)n ad opera del processo fotosintetico non può contribuire all’effetto serra.


Circa ½ delle emissioni di CO2 legate alle attività umane trovano normalmente un “pozzo”:

gran parte di questa CO2 è allontanata dall’atmosfera sciogliendosi nell’acqua di mare.

… GAS SERRA CO2

le acque marine più superficiali si mescolano molto lentamente con quelle più profonde:

occorrono centinaia di anni affinché il CO2 penetri in profondità

e si depositi sui fondali come CaCO3 insolubile.


… GAS SERRA CO2

Una molecola di CO2 rimane mediamente nell’atmosfera per oltre un secolo!!

sebbene gli oceani finiscono per sciogliere gran parte dell’eccesso di CO2 dell’aria,

la scala dei tempi del processo è molto grande per cui il gas continua ad accumularsi nell’atmosfera.


… GAS SERRA Vapore acqueo

L’acqua è il gas più responsabile dell’effetto serra nell’atmosfera sebbene, per singola molecola assorba meno efficacemente della CO2.

Le molecole d’acqua, sempre abbondanti nell’aria assorbono le radiazioni IR dell’IR termico in conseguenza delle vibrazioni di flessione del legame H-O-H.


… GAS SERRA Metano

Le vibrazioni di flessione che riguardano l’angolo di legame HCH assorbono nella regione IR per cui il CH4 assorbe le radiazioni IR comprese in questa regione.

Dopo la CO2 , l’H2O

il CH4 è il terzo in ordine di importanza tra i gas responsabili dell’effetto serra.



l’aumento delle molecole di CO2 è 80 volte superiore a quello del CH4

Poiché la frazione di fotoni assorbiti dalle molecole di CH4 è maggiore rispetto a quella della CO2, il CH4 ha un effetto termico 23 volte superiore a quello della CO2 ma risulta meno importante perché:



L’altro pozzo per il CH4 è rappresentato dalle reazioni a terra e dalla diffusione nella stratosfera.

Il pozzo del metano atmosferico che rende conto di circa il 90% del suo allontanamento dall’aria è dato dalla reazione con i radicali OH·:

CH4 + OH· CH3· + H2O



Il CH4 reagisce oltre che con l’OH· anche con il cloro, bromo e ossigeno atomici:

O* + CH4 CH3·+ OH· CH4 + OH· CH3 + H2O

Il vapore acqueo presente nella stratosfera agisce in modo significativo come gas responsabile dell’effetto serra.


… GAS SERRA N2O

E’ presente in tracce e contribuisce significativamente all’effetto serra.

La vibrazione da flessione del legame del protossido di azoto assorbe le radiazioni IR


… GAS SERRA N2O

L’N2O è 270 volte più efficace della CO2 come causa del riscaldamento planetario.

Le quantità crescenti di N2O accumulatesi nell’aria a partire dall’epoca preindustriale sono responsabili di circa 1/3 dell’aumento di temperatura di cui si è ritenuto responsabile il metano.


… GAS SERRA N2O

Gran parte della produzione naturale di questo gas deriva dalla sua liberazione dagli oceani mentre

la maggior parte del rimanente è prodotta attraverso processi che si verificano nei terreni delle regioni tropicali da fertilizzanti a base di nitrato di ammonio.


… GAS SERRA N2OIl gas è il prodotto secondario

del processo di denitrificazione biologica in ambiente aerobio

del processo di nitrificazione in ambiente anaerobio.NITRIFICAZIONE AEROBICA (oxid.)NH3

NH4+ NO2

- NO3-

N2O (prodotto secondario)DENITRIFICAZIONE ANAEROBICA (rid.)N2 NO3

-


… GAS SERRA N2O

La combustione dei combustibili fossili produce N2O

solo quando l’azoto è contenuto nel combustibile stesso (carbone e biomassa).


… GAS SERRA

I CFC e loro sostituti • sono, tra i gas presenti in tracce, quelli con il

potenziale maggiore per gli effetti sul riscaldamento

• entrambi hanno grande persistenza e assorbono fortemente le radiazioni di lunghezza d’onda compresa tra 8 e 13 m (regione finestra).


… GAS SERRA

Ogni molecola di CFC per il suo assorbimento nella regione finestra può potenzialmente causare il medesimo effetto per quanto riguarda il riscaldamento planetario di decine di migliaia di molecole di CO2.


… GAS SERRA

I sostituti dei CFC, gli HCFC e HFC

presentano una vita media più ridotta nell’atmosfera e assorbono meno efficacemente nella regione finestra.


… GAS SERRA Ozono

Si forma nella troposfera a partire dagli atomi di ossigeno prodotti dalla dissociazione fotochimica di O2:

Gas naturale capace di indurre effetto serra sebbene la sua permanenza nella troposfera sia ridotta.

O + O2 O3 **


… GAS SERRA Ozono

la vibrazione da flessione di legame dell’O3 si verifica in prossimità di quella del CO2

poiché il CO2 assorbe la massima parte delle radiazioni di questa frequenza

O3 non contribuisce all’effetto serra.

*

La vibrazione da tensione di legame di uno dei legami O-O ha una lunghezza d’onda che cade nella regione 9-10 m cioè nella regione finestra.

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Il destino chimico dei gas presenti in traccia nell’aria non inquinata