- 大气环境化学
- -平流层
- 臭氧层
- -对流层
- 有毒气体
- 酸雨
- 全球暖化
- 水圈环境化学
- -淡水
- -水循环
- -人类学对水循环的影响
- 修改陆地表面
- 水循环污染
- 水资源透支提取供水
- 土壤环境化学
- 泥
- 人类学对土壤的影响
- 化学与环境的关系
- -模型Garrels和Lerman
- 一氧化碳的积累
- 生物圈的大小
- 环境化学应用
- 参考文献
在环境化学研究认为，发生在环境层面的化学过程。这是一门将化学原理应用于环境绩效和人类活动产生的影响的科学。
此外，环境化学还针对现有的环境破坏设计了预防，缓解和补救技术。
图1.地球大气，水圈，岩石圈和生物圈的示意图。来源：BojanaPetrović，来自Wikimedia Commons
环境化学可以细分为三个基本学科：
- 大气环境化学。
- 水圈的环境化学。
- 土壤环境化学。
全面的环境化学方法还需要研究这三个部分（大气，水圈，土壤）中发生的化学过程与其与生物圈的关系之间的相互关系。
大气环境化学
大气层是包围地球的一层气体。它构成了一个非常复杂的系统，其中温度，压力和化学成分随高度在很宽的范围内变化。
太阳用辐射和高能粒子轰击大气；这一事实在大气的所有层，特别是在上层和外层都具有非常重要的化学作用。
-平流层
光解离和光电离反应发生在大气的外部区域。在平流层中距地面约30至90 km的高空区域中，存在着一个主要包含臭氧（O 3）的层，称为臭氧层。
臭氧层
臭氧吸收来自太阳的高能紫外线辐射，如果不是因为存在这一层，地球上没有已知的生命形式可以生存。
1995年，大气化学家Mario J. Molina（墨西哥），Frank S. Rowland（美国人）和Paul Crutzen（荷兰人）因对平流层中臭氧的破坏和消耗的研究而获得了诺贝尔化学奖。
图2.臭氧层中的消耗方案。来自nasa.gov
1970年，克鲁森（Crutzen）发现氮氧化物会通过催化化学反应破坏臭氧。随后，莫利纳（Molina）和罗兰（Rowland）在1974年证明氯氟烃化合物（CFC's）中的氯也能够破坏臭氧层。
-对流层
靠近地球表面的大气层，高度在0至12 km之间，称为对流层，主要由氮（N 2）和氧（O 2）组成。
有毒气体
由于人类活动，对流层还包含许多其他被认为是空气污染物的化学物质，例如：
- 二氧化碳和一氧化碳（CO 2和CO）。
- 甲烷（CH 4）。
- 氮氧化物（NO）。
- 二氧化硫（SO 2）。
- 臭氧O 3（被认为是对流层中的污染物）
- 挥发性有机化合物（VOC），粉末或固体颗粒。
在许多其他物质中，这些物质会影响人类以及动植物的健康。
酸雨
硫氧化物（SO 2和SO 3）和氮氧化物（如一氧化二氮（NO 2））引起了另一个称为酸雨的环境问题。
这些氧化物主要存在于对流层中，是工业活动和运输过程中化石燃料燃烧的产物，它们与雨水反应生成硫酸和硝酸，从而产生酸沉淀。
图3.酸雨方案。来源：Alfredsito94，来自Wikimedia Commons
通过使包含强酸的雨水沉淀，会引发一些环境问题，例如海洋和淡水的酸化。这导致水生生物死亡；土壤的酸化导致农作物死亡以及建筑物，桥梁和纪念碑的腐蚀化学作用造成的破坏。
其他大气环境问题是光化学烟雾，主要由氮氧化物和对流层臭氧引起。
全球暖化
全球变暖是由高浓度的大气CO 2和其他温室气体（GHG）产生的，这些气体吸收了地球表面发射的大部分红外辐射并将热量捕集在对流层中。这在地球上产生了气候变化。
水圈环境化学
水圈由地球上所有的水体组成：地表或湿地-海洋，湖泊，河流，泉水-以及地下或含水层。
-淡水
水是地球上最常见的液体物质，它覆盖地球表面的75％，对于生命绝对必不可少。
所有生命形式都取决于淡水（定义为盐含量小于0.01％的水）。地球上97％的水是盐水。
在剩余的3％淡水中，有87％位于：
- 地球的两极（由于全球变暖而正在融化并涌入海洋）。
- 冰川（也在消失过程中）。
- 地下水。
- 以蒸气形式存在于大气中的水。
地球上只有0.4％的淡水可供消费。来自海洋的水的蒸发和降雨的降水不断提供了这一小百分比。
水的环境化学研究在水循环或水文循环中发生的化学过程，并且还开发了用于人类消费的水净化，工业和城市废水处理，海水淡化，循环利用的技术。并节省该资源等。
-水循环
地球上的水循环包括三个主要过程：蒸发，凝结和降水，从中可以得出三个回路：
- 地表径流
- 植物蒸散
- 水进入地下层（潜水）的渗透作用通过含水层通道循环，并通过泉水，喷泉或水井离开。
图4.水循环。来源：Wasserkreislauf.png：来源：贝努泽：Jooooderivative作品：moyogo，通过Wikimedia Commons
-人类学对水循环的影响
人类活动会影响水循环；人类行为的一些原因和结果如下：
修改陆地表面
它是由于森林砍伐和毁林而产生的。通过消除蒸散作用（植物吸水，并通过排汗和蒸发返回环境）并增加径流，从而影响水循环。
地表径流的增加导致河流和洪水的流量增加。
城市化还改变了土地表面并影响了水循环，因为多孔土壤被不可渗透的水泥和沥青代替，这使得渗透无法进行。
水循环污染
水循环涉及整个生物圈，因此，人类产生的废物通过不同的过程被纳入该循环。
空气中的化学污染物被纳入雨中。施用到土壤中的农药，遭受渗滤液和渗透到含水层中，或流入河流，湖泊和海洋。
卫生垃圾填埋场中的油脂和渗滤液的废物也通过渗透入地下水。
水资源透支提取供水
这些透支做法造成了地下水和地表水储量的枯竭，影响了生态系统，并导致了土壤的局部沉降。
土壤环境化学
土壤是生物圈平衡中最重要的因素之一。它们为植物提供了锚固，水和养分，而植物是陆地营养链的生产者。
泥
土壤可以定义为一个复杂而动态的生态系统，分为三个阶段：具有矿物质和有机载体的固相，含水液相和气相。其特征在于具有特定的动植物群（细菌，真菌，病毒，植物，昆虫，线虫，原生动物）。
土壤的特性不断受到环境条件和土壤中生物活动的影响。
人类学对土壤的影响
土壤退化是一个降低土壤生产力的过程，能够在生态系统中产生深刻而消极的变化。
造成土壤退化的因素有：气候，地貌，岩性，植被和人类活动。
图5。退化的土壤。资料来源：pexels.com
通过人为行为会发生：
- 土壤的物理退化（例如，不当耕种和牧场做法造成的压实）。
- 土壤的化学降解（酸化，碱化，盐碱化，农用化学品污染，工业和城市活动产生的废水，溢油等）。
- 土壤的生物降解（有机物含量降低，植被覆盖率降低，固氮微生物的损失等）。
化学与环境的关系
环境化学研究在三个环境区隔中发生的不同化学过程：大气，水圈和土壤。复习简单化学模型的另一种方法很有趣，该方法试图解释环境中发生的物质的全球转移。
-模型Garrels和Lerman
Garrels and Lerman（1981）开发了地球表面生物地球化学的简化模型，该模型研究了大气，水圈，地壳与所包括的生物圈隔间之间的相互作用。
Garrels and Lerman模型考虑了该星球的七种主要组成矿物：
- 石膏（CaSO 4）
- 硫铁矿（FeS 2）
- 碳酸钙（CaCO 3）
- 碳酸镁（MgCO 3）
- 硅酸镁（MgSiO 3）
- 氧化铁（Fe 2 O 3）
- 二氧化硅（SiO 2）
生物圈的组成有机物（活的和死的）都表示为CH 2 O，它是活组织的近似化学计量组成。
在Garrels和Lerman模型中，通过化学反应和质量守恒的净平衡，将地质变化研究为物质在行星的这八个组成部分之间的净转移。
一氧化碳的积累
例如，在此模型中研究了大气中CO 2的累积问题，它说：在过去的地质时期中，我们目前正在燃烧生物圈中存储的有机碳，如煤，石油和天然气，它们沉积在地下土壤中。
由于化石燃料的这种强烈燃烧，大气中CO 2的浓度正在增加。
地球大气中CO 2浓度的增加是由于以下事实：化石碳的燃烧速率超过了地球生物地球化学系统的其他组成部分（例如光合生物和例如水圈）。
这样，由于人类活动而向大气中排放的CO 2超过了调节地球变化的调节系统。
生物圈的大小
Garrels和Lerman开发的模型还认为，由于光合作用和呼吸作用之间的平衡，生物圈的大小会增加和减小。
在地球上的生命史中，生物圈的质量随着光合作用的增加而逐步增加。这导致了有机碳的净存储和氧气的排放：
CO 2 + H 2 O→CH 2 O + O 2
呼吸作为微生物和高级动物的代谢活动，将有机碳转换回二氧化碳（CO 2）和水（H 2 O），即，它逆转了先前的化学反应。
水的存在，有机碳的存储和分子氧的产生是生命存在的基础。
环境化学应用
环境化学为防止，减轻和补救人类活动造成的环境破坏提供了解决方案。在这些解决方案中，我们可以提及：
- 新材料的设计称为MOF's（其缩写为英语：Metal Organic Frameworks）。它们非常多孔并且具有以下能力：吸收和保留CO 2，从沙漠地区的空气蒸气中获得H 2 O并将H 2储存在小容器中。
- 将废物转化为原材料。例如，在人造草或鞋底生产中使用磨损的轮胎。还用于产生沼气或生物乙醇的农作物修剪废物。
- CFC替代品的化学合成。
- 替代能源的发展，例如氢电池，用于产生无污染的电力。
- 用惰性过滤器和反应性过滤器控制大气污染。
- 通过反渗透使海水脱盐。
- 开发用于悬浮在水中的胶体物质絮凝的新材料（纯化过程）。
- 湖泊富营养化的逆转。
- “绿色化学”的发展，一种趋势是提出用毒性较小的化合物代替有毒的化学化合物以及“环境友好”的化学程序。例如，它被用于使用毒性较小的溶剂和原料，在工业中，在洗衣店的干洗中，等等。
参考文献
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