1 TFA Classe A013 - Chimica Docente: Daniela Ascenzi • Interazione luce-materia (spettroscopia) • Elettrochimica • Chimica per l’energia • Chimica ambientale Area CHIMICA FISICA E AMBIENTALE Lezioni teoriche: Date: 13 febbraio, 7 e 12 marzo, 10 aprile 2 Argomenti di chimica ambientale • effetto serra • variazione strato O 3 • effetti chimici di antiparassitari/sostanze tossiche • inquinamento (aria, acqua, suolo) •… •… ”Chimica ambientale” ha due significati: 1. La chimica dei processi naturali che si verificano nell'aria, nell'acqua o nel suolo della Terra 2. Area delle scienze ambientali che si occupa di studiare gli aspetti chimici dei problemi creati dall'uomo nell'ambiente naturale
24
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Argomenti di chimica ambientale AMBIENTALE Area CHIMICA ... · 14. Chimica ambientale agraria • Terreno e agricoltura, composizione chimica del terreno • fertilizzanti e pesticidi,
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Transcript
1
TFA Classe
A013 -
Chimica
Docente: D
aniela Ascenzi
•Interazione luce-m
ateria (spettroscopia)•Elettroch
imica
•Chimica per l’energia
•Chimica am
bientale
Area CHIMICA FISICA E
AMBIENTALE
Lezioni teoriche:
Date: 13
febbraio, 7
e 12 marzo, 10
aprile
2
Argom
enti d
i chimica
ambienta
le
•effetto serra
•variazione strato O
3•effetti ch
imici d
i antiparassitari/sostanze tossiche
•inquinam
ento (aria, acqua, suolo)•…
•…
”Chimica am
bientale”
ha d
ue significati:
1. La chimica d
ei processi naturali che si verificano
nell'aria, nell'acqua o nel suolo della T
erra
2. A
rea delle scienze am
bientali ch
e si occupa di
studiare gli aspetti ch
imici d
ei problem
i creati dall'uom
o nell'ambiente naturale
3
Environm
enta
l Chemistry
•Introd
uzione alla scienze ambientali
•Chimica e am
biente
•Im
patto delle tecnologie su acqua, aria,
Terra e vita
•Ecologia, ecotossicologia e la b
iosfera•L’energia e i suoi cicli
•La m
ateria e i suoi cicli (C, N
, O, P, S
)•Im
patto antropico e inquinamento
•Evoluzione e trasporto d
i “chem
icals”
nella biosfera
Stanley E
. Manah
an, VIIIth
Ed. CRC Press
1. Evoluzione e trasporto d
elle sostanze chimich
e
2. Fond
amenti d
i chimica in soluzione
acquosa
•Im
portanza e proprietàdell’acqua
•Vita acquatica
•Gas in acqua
•Alcalinità
e acidità
dell’acqua, C
O2disciolto
•Metalli d
isciolti: legami e strutture
•Com
plessazione e chelanti, polifosfonati et al.
•Valori lim
ite dei potenziali d
i Nernst E
in acqua•processi fotoch
imici nelle reazioni red
-ox•corrosione
3. Reazioni red
-ox4. Interazioni d
i fase•Interazioni ch
imich
e coinvolgenti solidi, gas
e acqua•Im
portanza e formazione d
i sedimenti
•Solub
ilità•Dispersioni colloid
ali in acqua•Fenom
eni di aggregazione e flocculazione
•Scam
bio d
i soluti liquido-> sed
imenti
4
5. Bioch
imica d
i microorganism
i acquatici
6. Inquinam
ento delle acque
•Natura e tipi d
i inquinanti•Metalli pesanti
•Metalli legati a com
posti organici•Com
posti inorganici (cianuri, ammaniaca…
)•Inquinanti organici: saponi, prod
otti farm
aceutici, battericid
i, pesticidi PC
B
(polychlorinated
biph
enyls)
7. T
rattamenti d
elle acque
8. L’atm
osfera e la chimica atm
osferica
•Trattam
enti acque reflue civili e industriali
•Tecnich
e di rim
ozione di solid
i•Rimozione d
i sostanze chimich
e•Disinfezione e purificazione d
elle acque
•Com
posizione, importanza e caratteristich
e chimico-fisice d
ell’atmosfera terrestre
•Trasferim
enti di energia e m
assa•Reazioni fotoch
imich
e: ioni e radicali
9. Particellato in atm
osfera
•Processi ch
imici e fisici d
i formazione d
i particelle (inorganich
e, organiche, PA
H)
•Particellato inorganico: ceneri, asb
esto, metalli pesanti,
aereosol•Particellato organico: PA
H, particolato carb
onioso•Reazioni ch
imich
e coinvolgenti particellato•Controllo em
issioni di particelle
Environm
enta
l Chemistry
Stanley E
. Manah
an, VIIIth
Ed. CRC Press
5
10. Inquinanti gassosi inorganici
•CO: prod
uzione e controllo emissioni
•SO2, N
Ox e piogge acid
e•am
moniaca
•F, Cl e loro com
posti gassosi
11. Inquinanti gassosi organici•Com
posti organici in atmosfera: b
iogenici e naturali•Idrocarb
uri e PAH
•com
posti carbonilici (ald
eidi e ch
etoni)•com
posti contenenti N, P, S
•Com
posti alogenati CFC
12. S
mog fotoch
imico
•Emissioni d
a motori e autom
otive•Processi d
i formazione e m
eccanismi
cinetici
13. L’atm
osfera in pericolo•Riscald
amento glob
ale e cambiam
enti clim
atici•piogge acid
e•distruzione strato O
3
14. G
eosfera e geochimica
•Com
posti solidi nella geosfera
•Geoch
imica
•Aspetti am
bientali: risch
i naturali e antropogenici (inquinam
ento, processi estrattivi, em
issione rifiuti)
14. Chimica am
bientale agraria
•Terreno e agricoltura, com
posizione chimica
del terreno•fertilizzanti e pesticid
i, rifiuti ed inquinanti
nel terreno•chimica “verd
e”e agricoltura sostenib
ile
Environm
enta
l Chemistry
Stanley E
. Manah
an, VIIIth
Ed. CRC Press
6
15. Ecologia ind
ustriale e green chem
istry•Ecosistem
i industriali e loro
componenti
•Ecologia ind
ustriale e considerazioni
di im
patto ambientale
•Life cycle d
i materiali e riciclab
ilità•Green engineering
16. Ecologia ind
ustriale, risorse ed energia
•Metalli, m
inerali e altri inorganici•Prob
lema energetico e fonti
•Processi d
i conversione energetica17. Rifiuti pericolosi: natura, sorgenti e
chimica am
bientale
•Classificazione d
elle sostanze/rifiuti pericolose: infiam
mabili, reattive, corrosive,
tossiche
•Proprietà
chimich
e e fisiche d
ei rifiuti pericolosi•Effetti d
ei rifiuti pericolosi su geosfera, idrosfera, atm
osfera, biosfera
18. Ecologia ind
ustriale per rid
uzione, utilizzo e trattamento
rifiuti•Processi d
i riciclo•Metod
i chimici per il trattam
ento: neutralizzazioni, precipitazioni, reazioni red
-ox, fotolisi e sonolisi,
trattamenti term
ici, trattamenti
bioch
imici, fitorim
ediazione
19. Bioch
imica am
bientale
20. Chimica tossicologica
21. T
ecniche d
i chimica analitica am
bientale
•metod
i spettrofotometrici, elettroch
imici
•metod
i di analisi per terreni e rifiuti solid
i ; analisi aria egas
Environm
enta
l Chemistry
Stanley E
. Manah
an, VIIIth
Ed. CRC Press
7Risorse per “ch
imica atm
osferica”da J
.Chem
.Ed.
vol 86(2), 15
8 (2
009)8
vol 86(2), 15
8 (2
009)
9
vol 86(2), 15
8 (2
009)10
vol 86(2), 15
8 (2
009)
11
Inquinanti atmosferici
H2 S→→→ →
SO2
H2 S→→→ →
SO2
VOC (com
posti organici volatili)idrocarb
uri leggeri, formald
eide, C
H3 COCH3 , C
O2 ,
CO
NOx (ossid
i di azoto) N
O e N
O2da com
bustione ad
alte T
Com
posti S H
2 S, S
O2 , S
O3da com
bustione d
i i.c. contenenti S
Particolato
composti
carboniosi, PA
H12Trasporto e rid
istribuzione d
i inquinanti atm
osferici
Deposizione “w
et”Dissoluzione in acqua (piaggia, neve, neb
bia…
). Trasform
a le sostanze polari nei rispettivi acid
i: HNO
3 , H2 SO
4 , H2 SO
3 , HCl, H
ONO, S
O2 )
Poco efficace per VOC (insolub
ili in acqua)
Deposizione “d
ry”Adsorb
imento (fisico o ch
imico) d
egli inquinanti via flusso di aria in
massa su particelle solid
e (polvere, particolato)
Trasform
azioni chimich
e dei V
OC
Ossid
azioni (OH, O
3 , NO
3 , fotolisi
diretta).
Form
azione di OH in
troposfera
Reazione d
i OH con V
OC
13
Decontam
inazione aria via fotocatalisi
Il rad
icale OH è
creato da
TiO
2attivato d
alla radiazione solare
TiO
2applicab
ile a superficie d
i edifici com
e rivestim
ento
14
15
L’ozono nell’atmosfera terrestre
90% dell’O
3èin stratosfera
Distrib
uzione di O
3atm
osferico
O3“buono”
(shield
ing di U
V 280-320 nm
)
O3in troposfera
O3“cattivo”
~10 ppm
Diminuzione d
i O3nella stratosfera
Aum
ento di O
3nella troposfera (ruolo d
egli NOx da em
issioni)
Due prob
lemi “am
bientali”
differenti:
16
Deplezione d
ello strato di O
3in stratosfera
Form
azione di O
3stratosferico
O + O
3→
2O2
Form
azione di O
3Teoria fotoch
imica
(Chapm
an, 1930)
O2→
2O
UV (λ<2
42nm
)
2O + 2
O2 + M
→2O3 + M
3O2 →
2O3
Distruzionedi O
3Concentrazione stab
ile di O
3(stato
stazionario)
Evid
enza sperimentale: rid
uzione della
concentrazione di O
3stratosferico sopra A
ntartide
all’inizio dell’estate antartica
17
Deplezione d
ello strato di O
3in stratosfera
Distruzione “antropogenica”
di O
3
Tram
ite CFC e H
CFC
CF2 Cl2→
CF2 Cl + C
l ⋅UV
O3 + O
→2O2
Cl ⋅+ O
3→
ClO
⋅+ O2
ClO
⋅+ O→
Cl ⋅+ O
2
CFC (freon) utilizzati com
e: propellenti per bom
bolette spray,
gas refrigeranti, manifattura d
i schium
e plastiche
Inerzia chimica li porta a raggiungere intatti la stratosfera
catalizzatore fase om
ogenea
J. Chem
. Educ., 1
987, 64(5), p 3
87
18
Deplezione d
ello strato di O
3in stratosfera
Effetto d
i catalisi eterogenea dovuto a nub
i stratosferiche polari
Form
azione delle PS
C rich
iede :
1.inverno polare (no luce)
2.basse tem
perature (condensazione)
Le PSC catalizzano la form
azione di specie
attive di Cl da m
olecole “riserva”quali H
Cl
e ClONO
2
HCl + C
lONO
2→
HNO
3+ C
l2(1)
ClONO
2+ H
2 O→HNO
3+ H
OCl(2)
HCl + H
OCl→
H2 O + C
l2(3)
N2 O
5+ H
Cl→
HNO
3+ C
lONO
(4)
N2 O
5+ H
2 O→2HNO
3(5)
precursore di Cl
Resta sulla superficie d
elle PSC →
la [NOx]
in atmosfera si rid
uce (denox
ification)
19
Deplezione d
ello strato di O
3in stratosfera
Effetto d
i catalisi eterogenea dovuto a nub
i stratosferiche polari
Com
e risultato della d
enoxification
ClO + N
O2+ M
→ClONO
2+ M
Questa reazione ch
e sequestra la specie attiva C
lO diventa poco im
portante
Al ritorno d
el sole al Polo
Cl2
→2Cl⋅
UV
Attivazione d
ella distruzione catalitica d
i O3
ClO + C
lO + M
→Cl2 O
2+ M
Cl2 O
2+ hv →
Cl + C
lO2
ClO
2+ M
→Cl + O
2+ M
2 x (C
l + O3 ) →
2 x (C
lO + O
2 )
ClO + B
rO →
Br + C
l + O2
Cl + O
3→
ClO + O
2
Br + O
3 →
BrO
+ O2
Ciclo catalitico I:
2O3 →
3O2
Ciclo catalitico II:
2O3 →
3O2
20
Risorse internet su b
uco dell’O
3
http://w
ww.nob
elprize.org/nobel_
prizes/chem
istry/laureates/1995/
Nobel per la C
himica 19
95 a M
olina, Crutzen, S
herw
ood Rowland
"for their work in atm
ospheric chemistry, particularly
concerning the formation and decom
position of ozone" .
http://w
ww.eoearth
.org/article/CFC-Ozone_
Puzzle:_Lecture?topic=4
9594
http://w
ww.eoearth
.org/article/Ozone?topic=4
9594
http://w
ww.atm
.ch.cam
.ac.uk/tour/index.htm
lThe ozone h
ole tour, Cam
brid
ge University
21
Aum
ento di O
3in troposfera
•OH + C
O →
•HOCO
•HOCO + O
2→
HO
2•+ C
O2
da em
issioni di veicoli, em
issioni ind
ustriali, uso di solventi
Produzione d
i O3da una serie
di reazioni ch
imich
eCO
CO2+ H
2 Oossid
azioneVOC
HO
2•+ N
O →
•OH + N
O2
NO
2+ h
ν→
NO + O
(3P)
O(3P) + O
2→
O3
Ossid
azione di CO (o V
OC) iniziata d
a radicale O
Hprod
uce radicale perossile (H
O2 )
CO + 2
O2+ h
ν→
CO2+ O
3 HO2porta alla form
azione di N
O2da cui si genera
O per effetto d
ella radiazione U
V-VIS
O3+ N
O →
NO
2+ O
2
O + O
2→
O3
In assenza di inquinanti
atmosferici:
Bilancio tra [O
3 ] e [NO
x ]
Alcuni inquinanti atm
osferici agiscono d
a precursori per O3 :
NO
x , CO, V
OC (volatile organic
compound
s)
22
Smog fotoch
imico
quantum yield
NO
2photodissociationin the V
IS-U
V
NO
2→
NO
⋅+ O
⋅hν
NO + R
O2
→NO
2+ altri prod
otti
NO
2+ C
H3 C(O)O
2+ M
→CH3 C(O)O
2 NO
2+ M
In presenza di specie rad
icaliche organich
e (VOC, resid
ui di com
bustione)
Peroxyacetylnitrates (PA
N)
�Prob
lemi di salute (irritazione
vie respiratorie)
�Bassa visib
ilità
O3èuno d
ei piùpotenti ossid
anti
O3 + 2
H++2e-→
O2+H
2 O E
º=2.07 V
color bruno
23
Photoch
emica
l smog
Three ingred
ients are necessary:
�energy from
a light
source (sun UV)
�hydrocarb
ons (from
combustion em
issions)
�NOx
START
24
Modelling d
i O3in troposfe
ra
vol 77(12
) p.1650 (2
000)
LACOM is a troposph
eric chem
istry box modelthat can b
e applied to
teaching and
learing atmosph
eric chem
istry at high
school/universities
1 km
•Scatola cub
ica di 1km
3contenente aria
•54 gas atm
osferici (emissioni naturali e
antropogeniche)
•107 reazioni (anch
e fotochimich
e)
•Dati IN
PUT: m
etereologici(T, um
idità, presenza e tipod
i nubi),
concentrazioniiniziali d
elle specie, velocitàdi em
issione•Risultati d
ella simulazione: previsione d
i [conc] in funzione di
tempo e spazio
25
Modelling d
i O3in troposfe
ra
vol 77(12
) p.1650 (2
000)
Cosa si può sim
ulare con LACOM
•Variazioni giornaliere nelle concentrazioni
di gas atm
osferici
•Com
portamenti stagionali
(cambiand
o data)
•Influenza d
ei fattori locali e geografici(latitud
ine, condizioni
atmosferich
e, irraggiamento solare)
•Paragoni tra aree urb
ane e rurali
•Effetti d
elle emissioni d
i NOx su O
3
•Stud
iare le conseguenze del b
uco di O
3stratosferico
(aumento d
i UV ch
e arriva alla troposfera) sulla chimica
troposferica
26
Riscald
amento glob
ale (G.W
.) e gas serra
http://w
ww.rsc.org/learn-ch
emistry/resource/res0
0000767/th
e-greenhouse-effect-and
-glob
al-warm
ing
Effetto serra
In assenza di effetto
serra la Terra sareb
be
~33ºC più
fredda d
ella T attuale m
edia (15
ºC)
Effetto serra atm
osferico e ruolo d
ei gas atmosferici:
Assorb
imento e riem
issione rad
iazione solare (vib
razioni)•CO2
•NOx
•CH4
•H2 O
•CFC
Attive all’IR
27
Riscald
amento glob
ale (G.W
.) e gas serra
http://w
ww.rsc.org/learn-ch
emistry/resource/res0
0000763/glob
al-warm
ing
www.rsc.org/im
ages/CA1_tcm
18-13
8011.d
oc
Risorse d
idattich
e
www.rsc.org/im
ages/CA1_tcm
18-13
7980.doc
Buon esem
pio di piano
didattico
Wiki page su glob
al warm
inghttp://w
ww.rsc.org/learn-
chem
istry/wiki/T
he_greenh
ouse_effect_
and_glob
al_warm
ing
http://w
ww.kcvs.ca/site/projects/clim
ate.htm
l
Visualizzazioni su T
he S
cience of Clim
ate change
(spettri IR di m
olecole, struttura d
ell’atmosfera, riscald
amento collisionale in atm
osfera…)
Altri gas serra: h
ttp://www.rsc.org/learn-
chem
istry/resource/res00000775/oth
er-greenhouse-gases
28
Riscald
amento glob
ale (G.W
.) e gas serra
vol 77(12
) p.1603 (2
000)
Approccio d
idattico per la com
unicazione di concetti legati al
riscaldam
ento globale –
Serie d
i 7 esercizi + gioco:
•Misura d
i assorbimento IR
di vari gas
•Com
puter simulation d
elle vibrazioni m
olecolari
•Esperim
ento in micro ch
e illustra l’effetto serra
•Sessione internet per recuperare d
ati scientifici e creare grafici
•Interpretazione d
ati/grafici per valutare contributo antropico
a G.W
.
•esercizi per calcolare le T
superficiali della T
erra e altri pianeti
•presentazioni d
i studenti
•com
puter game S
imEarth
29
Riscald
amento glob
ale (G.W
.) e gas serra
vol 77(12
) p.1603 (2
000)
•Esperim
ento in micro ch
e illustra l’effetto serra
•Bottiglie d
i plastica trasparenti
•Term
ometri (ch
e leggano la stessa T
iniziale)
•Radiazione solare
30
Riscald
amento glob
ale (G.W
.)
vol 84(10
) p.1686 (2
007)
Esperim
ento per spiegare la differenza tra glob
al heat retention
e glob
al warm
ing
Sam
ple 1:500g H
2 O(l) a T
amb+
lampad
a 50W
Sam
ple 2:
500g H
2 O(l) +H
2 O(s) a
Tam
b
Sam
ple 3:
500g H
2 O(l) +H
2 O(s) a T
amb +
lampad
a da 5
0W
Si m
isura la T dell’acqua in funzione d
el tempo
H2 O
(l)H2 O
(l) eH2 O
(s)
H2 O
(l) eH2 O
(s)
31
Riscald
amento glob
ale (G.W
.)
vol 84(10
) p.1686 (2
007)
Sam
ple 1: Pendenza ind
ica il calore fornito d
alla lampad
a
Sam
ple 2: R
iscaldam
endo per
conduzione d
a ambiente
Sam
ple 3: R
iscaldam
endo per
conduzione + lam
pada
A parità
di m
: slope 3= slope 1+slope2
Aum
ento di gas serra porta ad
un aumento d
i ritenzione di calore in atm
osferaLa ritenzione d
i calore ha d
ue effetti:1.
Aum
ento di T
sulla Terra (gas, liquid
i e solidi)
2.Scioglim
ento dei gh
iacci senza variazione di T
32O3e riscald
amento glob
ale: come affrontare le
misconception d
i studenti d
elle scuole superiori
Test tra stud
enti in USA, A
ustralia, UK hanno evid
enziato che ~
40-50%
degli stud
enti pensano che il b
uco di O
3sia la causa d
ell’effetto serra
Proposta di 4 esercizi d
i analisi dati (via PC
e risorse internet) sugli argomenti
effetto serra, riscaldam
ento globale e b
uco dell’ozono
1. Effetto serra e riscald
amento glob
aleEffetto serra e riscald
amento glob
ale: creazione e analisi di grafici su [C
O2 ]
media annuale in funzione d
el tempo (d
ati da osservatori ch
imica
dell’atm
osfera Hawai M
auna Loa e Artic R
esearch Institute)
2. Strato
di ozono
Strato
di ozono:
creazione e analisi
di grafici
su [O
3 ] totale
media
in funzione d
el tempo (d
ati da B
ritish Antarctic S
urvey)
3. O
zono troposferico e stratosfericoOzono troposferico e stratosferico: creazione e analisi d