Chimica ambientale
Rita Giovannetti
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
… LE PIOGGE ACIDE …
pH < 5
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
H2CO3
Chimica dell'ambiente
(aq)
(aq)
 H+ + HCO3-
pH = 5.6
… LE PIOGGE ACIDE …
Le due specie acide che predominano in una
pioggia acida sono:
H2SO4 (da SO2)
HNO3 (da NOx)
Tali acidi si formano durante il trasporto della massa
d’aria che contiene gli inquinanti primari.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
SO3 …
Dall’ossidazione dell’anidride solforosa
l’anidride solforica o triossido di zolfo
si
origina
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.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
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).
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
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%.
Chimica dell'ambiente
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).
Chimica dell'ambiente
L’ossido di azoto è un gas incolore,
insapore ed inodore; è anche chiamato
ossido nitrico.
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.
Chimica dell'ambiente
L’ossido di azoto viene poi ossidato in
atmosfera dall’ossigeno e più rapidamente
dall’ozono producendo biossido di azoto.
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.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
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 zolfo nelle
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:
Chimica dell'ambiente
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 in questi tre composti.
Chimica dell'ambiente
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.
Chimica dell'ambiente
Effetti ecologici delle piogge acide e
dello smog fotochimico
• 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.
Chimica dell'ambiente
Effetti ecologici delle piogge acide e
dello smog fotochimico
• 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.
Chimica dell'ambiente
Effetti ecologici delle piogge acide e
dello smog fotochimico
• 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.
Chimica dell'ambiente
Effetti ecologici delle piogge acide e
dello smog fotochimico
• 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.
Chimica dell'ambiente
Effetti ecologici delle piogge acide e
dello smog fotochimico
• 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. *
Chimica dell'ambiente
I particolati nell’inquinamento
dell’aria
• I particolati sono le minuscole particelle solide o
liquide sospese nell'aria:
– singolarmente, sono invisibili a occhio nudo
– nel loro insieme, tuttavia, queste minuscole particelle formano
una foschia che riduce la visibilità.
• non sono tutte delle stesse dimensioni e forma né
hanno tutte la medesima composizione chimica
– hanno dimensioni da circa 2 nm (le dimensioni di una molecola
gassosa sono tra 0.1 e 1 nm) a 100 μm.
• è utile e convenzionale riferirsi a tutte le particelle come
fossero sferiche.
Chimica dell'ambiente
I particolati nell’inquinamento
dell’aria
• Qualitativamente le singole particelle sono classificate
come grossolane o fini:
– particelle con diametro inferiore a 2,5 µm sono dette
complessivamente particolato fine e solitamente rimangono
nell'aria per giorni o settimane;
– le particelle di diametro maggiore di 2,5 µm sono dette
particolato grossolano e sedimentano piuttosto rapidamente
o possono essere allontanate dall'aria anche per absorbimento
nelle goccioline di pioggia.
Chimica dell'ambiente
I particolati nell’inquinamento
dell’aria
• Le particelle presenti nell'atmosfera sono indicate con molti nomi
comuni:
– «polvere» e «fuliggine» si riferiscono a particelle solide,
– «caligine» e «nebbia» a particelle liquide
• Un aerosol
– è un insieme di particolati (particelle solide e goccioline
liquide) dispersi nell'aria.
– Un vero aerosol è costituito da particelle molto piccole, con
diametro inferiore a 100 μm.
Chimica dell'ambiente
I particolati nell’inquinamento
dell’aria
• Tutte le particelle dovrebbero finire per sedimentare
velocemente depositandosi alla superficie del suolo per effetto
della gravità,
– ciò non è vero per le particelle più piccole.
• Secondo la legge di Stoke:
• η=viscosità aria ρ1=densità particella ρ2=densità aria
• la velocità, espressa come distanza percorsa per secondo, a cui
le particelle sedimentano:
– aumenta con il quadrato del loro diametro
– le particelle più piccole cadono così lentamente che
restano in sospensione nell'aria pressoché indefinitamente
salvo se aggregano a formare particelle più grandi.
Chimica dell'ambiente
I particolati nell’inquinamento
dell’aria
• I particolati fini
– di solito rimangono in sospensione nell’aria per giorni e
settimane
• quelli più grossolani
– sedimentano più rapidamente.
• Oltre a questo processo di sedimentazione,
– le particelle possono essere allontanate dall’aria anche per
adsorbimento sulle gocce di pioggia che cadono a terra.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Le particelle atmosferiche
–caratterizzate in base alla loro densità, forma, superficie,
volume e composizione.
Le dimensioni delle particelle costituenti il particolato atmosferico
–coprono una gamma che si estende da pochi nanometri fino a
valori di decine di micron.
La dimensione di una particella può essere determinata
–utilizzando un microscopio ottico o elettronico, dallo scattering
della luce, dalla sua mobilità elettrica o dal suo comportamento
aerodinamico.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Le particelle atmosferiche spesso non sono sferiche
le loro forme possono essere estremamente differenziate.
– La caratterizzazione
atmosferico
delle
dimensioni
del
particolato
• viene risolta utilizzando dei diametri equivalenti
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Diametri equivalenti:
• Diametro geometrico:
– diametro di una particella sferica che ha la superficie
identica a quella della particella in esame
• Diametro equivalente in volume:
– diametro di una sfera che ha lo stesso volume della
particella in questione 
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Diametri equivalenti:
–Diametro ottico:
• diametro di una particella sferica con lo stesso indice di
rifrazione delle particelle utilizzate per la calibrazione
dell'analizzatore ottico,
– da cui si ricava la distribuzione dimensionale delle particelle,
che diffonde la stessa quantità di luce nell'angolo solido
misurato
–Diametro aerodinamico:
• diametro di una particella perfettamente sferica di densità
unitaria (1 gr/cm3) che ha le stesse caratteristiche
inerziali della particella in esame.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
indice PM
esprime la quantità di materia particolata presente in un
dato volume di aria.
• la materia in questione di solito non è omogenea:
– non può essere determinata per essa una specifica massa
molare e le concentrazioni vengono espresse in termini
di massa, anziché di numero di moli.
– L'unità di solito utilizzata sono i microgrammi di materia
particolata per metro cubo di aria, cioè µg/m3.
– Poiché le particelle più piccole hanno maggiori effetti
nocivi sulla salute dell'uomo di quelle più grandi,
• di solito vengono raccolte e riportate solo le particelle con un
diametro inferiore a un valore D diametro limite, espresso in
µm, che viene specificato come pedice del simbolo PM.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Definizione di particelle inalabili, toraciche e respirabili
•
La proporzione del materiale particellare totale inalata nel
corpo umano dipende:
– dalle proprietà delle particelle,
– dalla velocità e direzione di spostamento dell'aria vicino
all'individuo,
– dalla sua frequenza respiratoria
– dal tipo di respirazione, nasale od orale.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Le particelle inalate
– si possono poi depositare in qualche punto del tratto
respiratorio,
– oppure possono essere esalate.
•
Il punto della deposizione o la probabilità di esalazione
– dipendono dalle proprietà delle particelle,
– del tratto respiratorio,
– dal tipo di respirazione e da altri fattori.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Frazione inalabile
•
la frazione delle particelle che entra nel corpo
attraverso il naso e la bocca durante la
respirazione.
•
considerata importante agli effetti della salute,
–
•
le particelle si depositano ovunque nel tratto
respiratorio.
Non si prende, in considerazione le particelle
sopra i 20 μm.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
Frazione toracica
•
frazione delle particelle che può penetrare nei
polmoni sotto la laringe.
•
può essere messa in relazione con effetti sulla
salute che nascono dal deposito di particolato nei
condotti d'aria dei polmoni.
Frazione respirabile
•
frazione delle particelle inalabile che può penetrare
in profondità negli alveoli polmonari.
•
può portare ad effetti sulla salute dovuti al deposito
di particelle nella regione alveolare dei polmoni.
•
Il PM10 e il PM2,5 sono assimilabili rispettivamente
alle frazioni toracica e respirabile.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Le particelle solide di maggiori dimensioni, quali quelle che
costituiscono la «polvere»
–
originano soprattutto da processi non chimici importanti
esempi ne sono le fonti naturali:
•
•
•
le eruzioni vulcaniche, e attività umane, quali la frantumazione
delle pietre nelle cave
dalla coltivazione dei campi, che causa la dispersione nell'aria
delle particelle di terreno ad opera del vento.
In confronto a quelle più piccole, le particelle di maggiori
dimensioni non rappresentano un grave problema per la salute
dell'uomo per una serie di ragioni..
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Anche gli inquinanti minerali
• rappresentano una parte del contenuto in particolati dell'aria.
•
I particolati di maggiori dimensioni
• compaiono inizialmente come particelle ancora più grossolane
prodotte soprattutto dalla disintegrazione di sistemi di maggiori
dimensioni.
•
i particolati fini
• sono prodotti in gran parte dalla coagulazione di particelle
ancora più piccole,
–
a loro volta prodotte a partire da molecole gassose:
– l'acido solforico si sposta nell'aria non come un gas ma come
un aerosol di fini goccioline, poiché l'H2SO4 ha una grande
affinità per le molecole di acqua.
– Molti degli effetti nocivi associati con la presenza di
acidità nell'aria possono essere conseguenti la
respirazione di questo aerosol altamente acido.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Sia l'acido solforico che quello nitrico presenti nell'aria
– finiscono spesso per reagire con l'ammoniaca liberata in
conseguenza dei processi di decomposizione della materia
organica che si verificano a livello del suolo.
•
Attraverso una reazione acido-base tra acidi e ammoniaca
– si ha la formazione dei sali solfato di ammonio e nitrato di
ammonio.
–
inizialmente questi sali si formano in particelle acquose ma
l'evaporazione dell'acqua porta alla formazione di particelle
solide:
•
gli ioni predominanti nelle particelle più fini sono il solfato
(compreso lo ione idrogenosolfato, HSO4-) e l'ammonio, NH4+,
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Poiché la pressione di vapore dell'HNO3 è molto maggiore di
quella dell'H2SO4
–
–
•
l'acido nitrico tende a rimanere nello stato di vapore
la condensazione dell’acido l'acido nitrico su
preesistenti è minore di quella dell'acido solforico.
particelle
Gli aerosol in cui predomina lo ione SO4- spesso sono detti
aerosol solfati.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Particelle di diametro dell'ordine della lunghezza d'onda della
luce visibile, cioè 0,4-0,8 μm,
– possono interferire con la trasmissione della luce nell'aria
riducendo la nitidezza della visione, la visibilità a lunga distanza
e l'intensità della luce che raggiunge il suolo.
•
Una elevata concentrazione nell'aria di particelle di diametro
compreso tra 0,1 e 1 μm
– produce una foschia.
•
Una convenzionale tecnica di misurazione dell'entità
dell'inquinamento da particolato in una massa di aria
– è quella di determinarne la nebbiosità.
Chimica dell'ambiente
Indici della qualità dell’aria e caratteristiche
della materia particolata
•
Gli aerosol dello smog
–
•
contengono acido nitrico neutralizzato a formare sali come il nitrato di
ammonio.
In questi aerosol sono anche presenti prodotti a base di
carbonio
–
che sono intermedi delle reazioni dello smog fotochimico che
generalmente esistono come gas anziché condensarsi alla superficie
delle particelle.
molte particelle fini sospese nell’aria delle città sono secondarie
– il loro numero può essere controllato riducendo le emissioni dei gas
inquinanti primari NO, COV, SO2 dai quali esse vengono prodotte.
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
•
la concentrazione degli inquinanti vari significativamente da
edificio a edificio,
– i livelli dei comuni inquinanti dell'aria spesso sono maggiori
all'interno che all'esterno degli edifici;
– gli intervalli di concentrazione di numerose sostanze di larga
diffusione più frequentemente riscontrati:
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Formaldeide
•
Il più importante e controverso gas organico inquinante
dell'aria all'interno degli edifici è la formaldeide, H2C=O.
– una sostanza ampiamente diffusa in tracce nell'atmosfera:
– si forma come intermedio stabile nell'ossidazione del metano e
di altri COV
•
la concentrazione di questa sostanza nell'aria esterna (circa
0,01 ppm, nelle aree urbane, eccetto durante gli episodi di smog
fotochimico)
– è di norma troppo ridotta per poter essere significativa,
– i suoi livelli all'interno degli edifici spesso sono uno o più
ordini di grandezza maggiori,
•
raggiungono in media le 0.1 ppm e in certi casi superano il valore
di 1 ppm.
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Formaldeide
•
Le principali fonti di esposizione entro gli edifici
– le emissioni contenute nel fumo delle sigarette
– da materiali sintetici contenenti resine a base di formaldeide (un
tipo di materiale plastico)
– dai sistemi di isolamento con schiuma di urea e formaldeide
– adesivi per la saldatura dei pannelli di compensato e di
truciolato;
– dalla tintura di tappeti e tessuti.
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Formaldeide
•
Molte utili resine (materiali polimerici rigidi)
– vengono prodotte combinando la formaldeide con un'altra
sostanza organica. Nei primi mesi e anni dopo la loro
produzione, questi materiali liberano piccole quantità di
formaldeide gassosa;
•
Molti produttori di materiali a base di legno pressato
– hanno oggi modificato i loro processi produttivi per ridurre la
velocità con cui viene liberata la formaldeide.
•
Le resine contenenti formaldeide
– anche nel trattamento di molti prodotti cartacei di largo
impiego per migliorarne la rigidità quando sono bagnati.
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Formaldeide
•
La velocità dell’emissione di formaldeide da materiali sintetici
– aumenta con la temperatura e con l’umidità relativa
– diminuisce con l’età del materiale.
•
La formaldeide ha un odore pungente con una soglia di
sensibilità, nell'uomo, di circa 0,1 ppm
– può causare irritazione agli occhi
– allergie, asma e a infezioni respiratorie
– in presenza di livelli di formaldeide molto superiori la
respirazione si fa difficile.
•
In esperimenti effettuati su animali, la formaldeide si è rivelata
una sostanza cancerogena
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Biossido di azoto e monossido di carbonio
•
Sia il biossido di azoto, NO2, sia il monossido di carbonio, CO,
sono gas liberati nei processi di combustione,
– compresi quelli che si verificano nelle case e negli uffici
ogniqualvolta vengono bruciati combustibili fossili.
•
Il biossido di azoto
– è solubile nei tessuti biologici ed è un ossidante:
• per questo i suoi eventuali effetti sulla salute sono a carico
dell'apparato respiratorio.
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Biossido di azoto e monossido di carbonio
•
Il monossido di carbonio
–
–
•
è un gas incolore e inodore
la concentrazione nelle case può aumentare considerevolmente in
seguito alla incompleta combustione di combustibili a base di carbonio
quali legno, carbone, benzina, cherosene e gas.
Il maggiore pericolo collegato alla presenza del monossido di
carbonio
–
deriva dalla capacità di questa sostanza, quando viene inalata, di
complessarsi stabilmente con l'emoglobina del sangue riducendone la
capacità di trasportare l'ossigeno alle cellule.
Chimica dell'ambiente
Inquinamento dell’aria in ambienti confinati
Biossido di azoto e monossido di carbonio
•
Il monossido di carbonio
–
–
•
è un gas incolore e inodore
la concentrazione nelle case può aumentare considerevolmente in
seguito alla incompleta combustione di combustibili a base di carbonio
quali legno, carbone, benzina, cherosene e gas.
Il maggiore pericolo collegato alla presenza del monossido di
carbonio
–
deriva dalla capacità di questa sostanza, quando viene inalata, di
complessarsi stabilmente con l'emoglobina del sangue riducendone la
capacità di trasportare l'ossigeno alle cellule.
*
Chimica dell'ambiente
EFFETTO SERRA E IL
RISCALDAMENTO PLANETARIO
progressiva
tendenza
temperatura media dell’aria
all’aumento
della
in conseguenza della massiccia immissione
nell’atmosfera di:
biossido di carbonio e altri gas responsabili di
tale fenomeno.
Chimica dell'ambiente
MECCANISMI
Il bilancio energetico della terra …
L’atmosfera e la superficie terrestre vengono riscaldati
in primo luogo dall’energia proveniente dal sole.
La
componente
quantitativamente
dell’irradiazione solare
più
importante
è nell’intervallo della luce visibile tra 400 nm (componente
violetta) e 750 nm (componente rossa).
Chimica dell'ambiente
… Il bilancio energetico della terra …
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).
Chimica dell'ambiente
… 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
chiamata IR termico perché la sua energia si manifesta
come calore.
Chimica dell'ambiente
… Il bilancio energetico della terra …
Poiché alcuni gas presenti nell’aria possono assorbire
provvisoriamente determinate lunghezze d’onda della
radiazione IR termica,
4-50 µm
non tutta la radiazione IR emessa dall’atmosfera e dalla
superficie terrestre sfugge nello spazio.
Chimica dell'ambiente
… Il bilancio energetico della terra …
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.
Chimica dell'ambiente
… Il bilancio energetico della terra …
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.
Chimica dell'ambiente
EFFETTO SERRA E IL
RISCALDAMENTO PLANETARIO
Chimica dell'ambiente
… Il bilancio energetico della terra …
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
all’assorbimento diretto dell’energia solare.
Chimica dell'ambiente
diurne
dovute
… Il bilancio energetico della terra …
Vibrazioni molecolari
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:
Chimica dell'ambiente
… Il bilancIo energetico della terra …
Chimica dell'ambiente
GAS SERRA
… 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.
Chimica dell'ambiente
… Il bilancIo energetico della terra …
GAS SERRA
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).
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
CO2
In primavera ed in estate grandi quantità di
CO2 sono allontanate dall’aria per effetto
della fotosintesi clorofilliana delle piante.
Il CO2 intrappolato (fissato) nella forma
polimerica), (CH2O)n ad opera del processo
fotosintetico non può contribuire all’effetto
serra.
La decomposizione biologica dei tessuti vegetali che si
verifica in autunno e inverno restituisce il CO2
precedentemente utilizzato.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
CO2
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.
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.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
CO2
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.
Una molecola di CO2 rimane mediamente
nell’atmosfera per oltre un secolo!!
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Vapore acqueo
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.
L’acqua è il gas più responsabile dell’effetto
serra nell’atmosfera sebbene, per singola
molecola assorba meno efficacemente della
CO2.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Altre sostanze che hanno effetti
sul riscaldamento planetario
L'immissione, anche in tracce, nell'atmosfera di gas
capaci di assorbire le radiazioni infrarosse (IR)
termiche
ha un effetto additivo sul fenomeno
del riscaldamento planetario, cioè
aumenta l'effetto serra.
Particolarmente importanti, da questo punto di vista,
sono i gas inquinanti che assorbono
le radiazioni IR termiche nella
regione finestra
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Altre sostanze che hanno effetti
sul riscaldamento planetario
Gran parte dei gas formati da molecole con tre o più
atomi
hanno
importanza
per
riguarda l'effetto serra:
quanto
possiedono numerosi moti vibrazionali
che le rendono capaci di assorbire le
radiazioni infrarosse,
alcune delle quali cadono
regione dell'infrarosso termico.
Chimica dell'ambiente
nella
… GAS SERRA
Altre sostanze che hanno effetti
sul riscaldamento planetario
I gas presenti in tracce: tempo di permanenza nell'atmosfera
Per stabilire l'impatto di qualsiasi sostanza ai fini dell'aumento
dell'effetto serra:
per quanto tempo essa può rimanere
nell'atmosfera:
più lungo è il tempo di permanenza tanto
maggiore sarà l'effetto complessivo della
sostanza.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Altre sostanze che hanno effetti
sul riscaldamento planetario
I gas presenti in tracce: tempo di permanenza nell'atmosfera
Ogni gas presente nell'atmosfera in, o vicino a, condizioni di
stato stazionario
può essere caratterizzato da un tempo di
permanenza,
Tm:
il tempo medio di permanenza di una di
queste molecole nell'aria prima di esserne
allontanata
In termini di quantità atmosferica totale, C, e di velocità media, R,
di immissione o allontanamento di una sostanza:
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Altre sostanze che hanno effetti
sul riscaldamento planetario
I gas presenti in tracce: tempo di permanenza nell'atmosfera
I valori di C e R possono essere espressi in termini di
concentrazione invece che di quantità.
se la concentrazione atmosferica di un gas è
normalmente di 6,0 ppm e la sua velocità
complessiva di immissione, (determinata dividendo
la quantità immessa annualmente per il volume
dell'atmosfera) è pari a 2,0 ppm per anno, il tempo di
permanenza medio del gas è pari a 6,0 ppm/2,0 ppm,
cioè tre anni.
Tm del biossido di carbonio, dell'ossido nitroso e dei CFC, tutti gas
che influenzano l'effetto serra, è pari a oltre un secolo,
Al contrario, il metano ha un tempo di permanenza di soli dieci anni.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Metano
Dopo la CO2 , l’H2O
il CH4 è il terzo in ordine di importanza tra i
gas responsabili dell’effetto serra.
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.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Metano
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’aumento delle molecole di CO2 è 80 volte
superiore a quello del CH4
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Metano
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
L’altro pozzo per il CH4 è rappresentato dalle reazioni a
terra e dalla diffusione nella stratosfera.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Metano
Il CH4 reagisce oltre che con l’OH· anche
con il cloro, bromo e ossigeno atomici:
O* + CH4  CH3·+ OH·
CH4 + OH·  CH3 + H2O
Chimica dell'ambiente
Il vapore acqueo
presente nella
stratosfera agisce in
modo significativo
come gas responsabile
dell’effetto serra.
… GAS SERRA
N2O
E’
presente
in
tracce
e
significativamente all’effetto serra.
contribuisce
La vibrazione da flessione del legame del protossido
di azoto assorbe le radiazioni IR
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
… 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.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
N2O
Il gas è il prodotto secondario
del processo di denitrificazione biologica in ambiente
aerobio
del processo di nitrificazione in ambiente anaerobio.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
N2O
La combustione
produce N2O
dei
combustibili
fossili
solo quando l’azoto è contenuto nel
combustibile stesso (carbone e biomassa).
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
I CFC e loro sostituti
•sono, tra i gas presenti in tracce, quelli con il
potenziale maggiore per gli effetti sul
riscaldamento
• hanno grande persistenza e assorbono fortemente le
radiazioni di lunghezza d’onda compresa tra 8 e 13 m
(regione finestra).
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
Ogni molecola di CFC per il
assorbimento nella regione finestra
suo
può potenzialmente causare il medesimo
effetto per quanto riguarda il riscaldamento
planetario
di decine di migliaia di molecole di CO2.
Chimica dell'ambiente
… GAS SERRA
I sostituti dei CFC,
gli HCFC e HFC
presentano una vita media più
nell’atmosfera
e
assorbono
efficacemente nella regione finestra.
Chimica dell'ambiente
ridotta
meno
… GAS SERRA
Ozono
Gas naturale capace di indurre effetto serra
sebbene la sua permanenza nella troposfera sia
ridotta.
Si forma nella troposfera a partire dagli atomi di ossigeno
prodotti dalla dissociazione fotochimica di O2:
O + O 2  O3
Chimica dell'ambiente
**
… GAS SERRA
Ozono
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.
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.
***
Chimica dell'ambiente
Aerosol atmosferico
… GAS SERRA
L’atmosfera che ci circonda non è unicamente costituita
da gas
ma contiene in forma dispersa anche particelle di
dimensioni variabili, comunemente note come
“aerosol atmosferico”.
**
Chimica dell'ambiente
Aerosol atmosferico
•
Gli aerosol ricchi di solfato della troposfera prodotti dagli
inquinanti dell'aria, soprattutto sopra le aree urbane
nell'emisfero settentrionale,
– riflettono la luce solare nello spazio più efficientemente di
quanto la assorbano.
•
Di conseguenza:
– una minore quantità di radiazioni solari viene assorbita da parte
del terreno e degli strati più bassi della tropo sfera e trasformata
in calore.
•
Gli aerosol contenenti solfato
– non sono particolarmente efficaci nell'intrappolare le emissioni
di radiazioni IR termiche dalla superficie terrestre
– l'effetto netto degli aerosol è un raffreddamento degli strati di
aria più vicini al suolo che maschera alcuni degli effetti del
riscaldamento planetario indotti dai gas responsabili dell'effetto
serra.
*
Chimica dell'ambiente