Chimie de l'environnement: domaine d'étude et applications
La chimie environnementale étudie les processus chimiques qui se déroulent au niveau de l'environnement. C'est une science qui applique les principes chimiques à l'étude de la performance environnementale et des impacts générés par les activités humaines.
De plus, la chimie environnementale conçoit des techniques de prévention, d'atténuation et de correction des dommages environnementaux existants.
La chimie de l'environnement peut être subdivisée en trois disciplines de base:
- Chimie environnementale de l'atmosphère.
- Chimie environnementale de l'hydrosphère.
- Chimie environnementale du sol.
Une approche globale de la chimie environnementale nécessite également d'étudier les relations entre les processus chimiques intervenant dans ces trois compartiments (atmosphère, hydrosphère, sol) et leurs relations avec la biosphère.
Chimie environnementale de l'atmosphère
L'atmosphère est la couche de gaz qui entoure la Terre; C'est un système très complexe, où la température, la pression et la composition chimique varient avec l'altitude dans de très larges plages.
Le soleil bombarde l'atmosphère de radiations et de particules à haute énergie; Ce fait a des effets chimiques très importants dans toutes les couches de l'atmosphère, mais en particulier dans les couches les plus hautes et les plus extérieures.
-Stratosphère
Des réactions de photodissociation et de photoionisation se produisent dans les régions extérieures de l'atmosphère. Dans la région située entre 30 et 90 km de haut, mesurée depuis la surface de la Terre, dans la stratosphère, se trouve une couche contenant principalement de l'ozone (O 3 ), appelée couche d'ozone.
Couche d'ozone
L'ozone absorbe le rayonnement ultraviolet de haute énergie provenant du soleil et, sans l'existence de cette couche, aucun mode de vie connu sur la planète ne pourrait subsister.
En 1995, les chimistes atmosphériques Mario J. Molina (Mexicain), Frank S. Rowland (Américain) et Paul Crutzen (Néerlandais) ont remporté le prix Nobel de chimie pour leurs recherches sur la destruction et la destruction de l'ozone dans la stratosphère.
En 1970, Crutzen a montré que les oxydes d'azote détruisent l'ozone par des réactions chimiques catalytiques. Par la suite, Molina et Rowland, en 1974, ont montré que le chlore des composés chlorofluorocarbonés (CFC) pouvait également détruire la couche d'ozone.
-Troposphère
La couche atmosphérique située au-dessus de la surface de la Terre, appelée troposphère, entre 0 et 12 km d'altitude, est principalement composée d'azote (N 2 ) et d'oxygène (O 2 ).
Gaz toxiques
En raison des activités humaines, la troposphère contient de nombreux autres produits chimiques considérés comme des polluants atmosphériques, tels que:
- Dioxyde et monoxyde de carbone (CO 2 et CO).
- Méthane (CH 4 ).
- Oxyde d'azote (NO).
- Dioxyde de soufre (SO 2 ).
- Ozone O 3 (considéré comme un contaminant dans la troposphère)
- Composés organiques volatils (COV), poudres ou particules solides.
Parmi de nombreuses autres substances, qui affectent la santé humaine, végétale et animale.
Pluie acide
Les oxydes de soufre (SO 2 et SO 3 ) et les oxydes d’azote, tels que l’oxyde nitreux (NO 2 ), posent un autre problème environnemental appelé pluies acides.
Ces oxydes, présents dans la troposphère principalement sous forme de produits de la combustion de combustibles fossiles dans les activités industrielles et les transports, réagissent avec les eaux de pluie en produisant de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique, avec les précipitations acides qui en résultent.
En précipitant cette pluie qui contient des acides forts, elle provoque plusieurs problèmes environnementaux tels que l'acidification des mers et des eaux douces. Cela provoque la mort d'organismes aquatiques; l'acidification des sols qui provoque la mort des cultures et la destruction par l'action corrosive chimique des bâtiments, des ponts et des monuments.
Le smog photochimique, causé principalement par les oxydes d'azote et l'ozone troposphérique, constitue un autre problème environnemental.
Réchauffement global
Le réchauffement climatique est causé par les fortes concentrations de CO2 atmosphérique et d'autres gaz à effet de serre (GES), qui absorbent une grande partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre et retiennent la chaleur dans la troposphère. Cela génère des changements climatiques sur la planète.
Chimie environnementale de l'hydrosphère
L'hydrósfera est conformée par toutes les masses d'eau de la Terre: superficielles ou humédales - océans, lacs, rivières, sources - et souterraines ou aquifères.
-L'eau douce
L'eau est la substance liquide la plus répandue sur la planète. Elle recouvre 75% de la surface de la Terre et est indispensable à la vie.
Toutes les formes de vie dépendent de l'eau douce (définie comme de l'eau dont la teneur en sel est inférieure à 0, 01%). 97% de l'eau de la planète est de l'eau salée.
Sur les 3% restants d'eau douce, 87% sont en:
- Les pôles de la Terre (qui fondent et se déversent dans les mers à cause du réchauffement climatique).
- Les glaciers (également en voie de disparition).
- Les eaux souterraines
- Eau sous forme de vapeur présente dans l'atmosphère.
Seulement 0, 4% de l'eau douce totale de la planète est disponible pour la consommation. L'évaporation de l'eau des océans et la précipitation des pluies fournissent continuellement ce petit pourcentage.
La chimie environnementale de l'eau étudie les processus chimiques du cycle de l'eau ou du cycle hydrologique et développe également des technologies pour l'épuration de l'eau destinée à la consommation humaine, le traitement des eaux usées industrielles et urbaines, le dessalement de l'eau de mer, le recyclage. et sauver cette ressource, entre autres.
-Le cycle de l'eau
Le cycle de l'eau sur Terre comprend trois processus principaux: l'évaporation, la condensation et les précipitations, à partir desquels trois circuits sont dérivés:
- Le ruissellement de surface
- L'évapotranspiration des plantes
- L'infiltration, dans laquelle l'eau passe sous terre (eau), circule dans les canaux d'eau et sort par les sources, les sources ou les puits.
-Les impacts anthropiques sur le cycle de l'eau
L'activité humaine a des impacts sur le cycle de l'eau. Certaines des causes et des effets de l’action anthropologique sont les suivants:
Modification de la surface terrestre
Il est généré par la destruction des forêts et des champs avec la déforestation. Cela affecte le cycle de l'eau en éliminant l'évapotranspiration (retirer de l'eau des plantes et retourner dans l'environnement par la transpiration et l'évaporation) et en augmentant le ruissellement.
L'augmentation des eaux de ruissellement entraîne une augmentation du débit de la rivière et des inondations.
L'urbanisation modifie également la surface du sol et affecte le cycle de l'eau, le sol poreux étant remplacé par du ciment et de l'asphalte imperméable, ce qui rend toute infiltration impossible.
Contamination du cycle de l'eau
Le cycle de l'eau concerne l'ensemble de la biosphère et, par conséquent, les déchets générés par l'être humain sont incorporés dans ce cycle par différents processus.
Les polluants chimiques dans l'air sont incorporés à la pluie. Les produits agrochimiques appliqués au sol souffrent de lixiviat et d'infiltration dans les aquifères ou s'écoulent dans les rivières, les lacs et les mers.
Les déchets de graisses et d'huiles et les lixiviats de décharges sont également entraînés par infiltration dans les eaux souterraines.
Extraction des réserves d'eau avec découvert dans les ressources en eau
Ces pratiques avec découvert, entraînent l'épuisement des réserves d'eaux souterraines et de surface, affectent les écosystèmes et produisent une subsidence locale du sol.
Chimie environnementale du sol
Les sols sont l’un des facteurs les plus importants de l’équilibre de la biosphère. Ils fournissent un ancrage, de l'eau et des nutriments aux plantes, qui sont des producteurs dans les chaînes trophiques terrestres.
Le sol
Le sol peut être défini comme un écosystème complexe et dynamique de trois phases: une phase solide de support minéral et organique, une phase liquide aqueuse et une phase gazeuse; caractérisée par une faune et une flore particulières (bactéries, champignons, virus, plantes, insectes, nématodes, protozoaires).
Les propriétés du sol changent constamment en raison des conditions environnementales et de l'activité biologique qui s'y développe.
Impact anthropologique sur le terrain
La dégradation des sols est un processus qui diminue la capacité de production des sols, capable de produire un changement profond et négatif dans l'écosystème.
Les facteurs responsables de la dégradation des sols sont les suivants: climat, physiographie, lithologie, végétation et action humaine.
Par une action humaine peut se produire:
- Dégradation physique du sol (par exemple, compactage dû à des pratiques de culture et d’élevage inadéquates).
- Dégradation chimique des sols (acidification, alcalinisation, salinisation, contamination par des produits agrochimiques, effluents d'activités industrielles et urbaines, marées noires, entre autres).
- Dégradation biologique du sol (diminution de la teneur en matière organique, dégradation de la couverture végétale, perte de micro-organismes fixateurs d'azote, entre autres).
Relation chimique-environnement
La chimie environnementale étudie les différents processus chimiques intervenant dans les trois compartiments environnementaux: l'atmosphère, l'hydrosphère et le sol. Il est intéressant de passer en revue une approche supplémentaire axée sur un modèle chimique simple, qui tente d'expliquer les transferts globaux de matière qui se produisent dans l'environnement.
-Model Garrels et Lerman
Garrels et Lerman (1981) ont développé un modèle simplifié de la biogéochimie de la surface de la Terre, qui étudie les interactions entre l'atmosphère, l'hydrosphère, la croûte terrestre et les compartiments de la biosphère inclus.
Le modèle de Garrels et Lerman considère sept principaux minéraux constitutifs de la planète:
- Plâtre (CaSO 4 )
- Pyrite (FeS 2 )
- Carbonate de calcium (CaCO 3 )
- Carbonate de magnésium (MgCO 3 )
- Silicate de magnésium (MgSiO 3 )
- Oxyde ferrique (Fe 2 O 3 )
- Dioxyde de silicium (SiO 2 )
La matière organique constituant la biosphère (vivante et morte) est représentée par CH 2 O, qui est la composition stœchiométrique approximative des tissus vivants.
Dans le modèle de Garrels et Lerman, les changements géologiques sont étudiés sous la forme de transferts nets de matière entre ces huit composants de la planète, par le biais de réactions chimiques et d'un équilibre de conservation de la masse nette.
L'accumulation de CO 2 dans l'atmosphère
Par exemple, ce modèle étudie le problème de l’accumulation de CO 2 dans l’atmosphère en disant: nous brûlons actuellement du carbone organique stocké dans la biosphère, tel que le charbon, le pétrole et le gaz naturel déposés dans le sous-sol au cours des temps géologiques passés; .
À la suite de cette combustion intensive de combustibles fossiles, la concentration de CO 2 atmosphérique augmente.
L’augmentation des concentrations de CO 2 dans l’atmosphère terrestre est due au fait que le taux de combustion du carbone fossile est supérieur au taux d’absorption du carbone par les autres composants du système biogéochimique de la Terre (tels que les organismes photosynthétiques et hydrosphère, par exemple).
De cette manière, les émissions de CO 2 dans l'atmosphère dues aux activités humaines dépassent de loin le système réglementaire qui module les changements sur la Terre.
La taille de la biosphère
Le modèle développé par Garrels et Lerman considère également que la taille de la biosphère augmente et diminue en raison de l’équilibre entre la photosynthèse et la respiration.
Au cours de l'histoire de la vie sur Terre, la masse de la biosphère a augmenté par étapes avec des taux élevés de photosynthèse. Cela a abouti à un stockage net d'émissions de carbone organique et d'oxygène:
CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2
La respiration, qui est l'activité métabolique des micro-organismes et des animaux supérieurs, reconvertit le carbone organique en dioxyde de carbone (CO 2 ) et en eau (H 2 O), c'est-à-dire qu'il inverse la réaction chimique précédente.
La présence d'eau, le stockage de carbone organique et la production d'oxygène moléculaire sont fondamentaux pour l'existence de la vie.
Applications de la chimie environnementale
La chimie environnementale offre des solutions pour la prévention, l'atténuation et la réparation des dommages environnementaux causés par l'activité humaine. Parmi certaines de ces solutions, on peut citer:
- La conception de nouveaux matériaux appelés MOF (pour son acronyme en anglais: Metal Organic Frameworks ). Ils sont très poreux et ont la capacité d’absorber et de retenir le CO 2, d’obtenir de l’H 2 O de la vapeur d’air des zones désertiques et de stocker l’H 2 dans de petits récipients.
- La conversion des déchets en matières premières. Par exemple, l’utilisation de pneus usés dans la production de gazon artificiel ou de semelles de chaussures. Également l'utilisation de déchets d'élagage, dans la production de biogaz ou de bioéthanol.
- La synthèse chimique des substituts de CFC.
- Le développement d'énergies alternatives, telles que les piles à hydrogène, pour la production d'électricité non polluante.
- Le contrôle de la pollution atmosphérique, avec des filtres inertes et des filtres réactifs.
- Le dessalement de l'eau de mer par osmose inverse.
- Développement de nouveaux matériaux pour la floculation de substances colloïdales en suspension dans l'eau (procédé de purification).
- La réversion de l'eutrophisation des lacs.
- Le développement de la "chimie verte", une tendance qui propose la substitution de composés chimiques toxiques par des composés moins toxiques, et des procédures chimiques "respectueuses de l'environnement". Par exemple, il est utilisé dans l’utilisation de solvants et de matières premières moins toxiques, dans l’industrie, dans le nettoyage à sec de blanchisseries, entre autres.
