KIMIA ALAM SEKITAR: BIDANG KAJIAN DAN APLIKASI - PERSEKITARAN - 2025

The kimia alam sekitar mengkaji proses kimia yang berlaku di peringkat alam sekitar. Ini adalah sains yang menerapkan prinsip kimia untuk mengkaji prestasi persekitaran dan kesan yang dihasilkan oleh aktiviti manusia.

Selain itu, kimia persekitaran merancang teknik pencegahan, mitigasi dan pemulihan untuk kerosakan persekitaran yang ada.

Rajah 1. Diagram atmosfera daratan, hidrosfera, litosfera dan biosfera. Sumber: Bojana Petrović, dari Wikimedia Commons

Kimia alam sekitar dapat dibahagikan kepada tiga disiplin asas iaitu:

1. Kimia persekitaran atmosfera.
2. Kimia persekitaran hidrosfera.
3. Kimia persekitaran tanah.

Pendekatan komprehensif terhadap kimia persekitaran juga memerlukan kajian mengenai hubungan antara proses kimia yang berlaku di ketiga-tiga petak ini (atmosfer, hidrosfera, tanah) dan hubungannya dengan biosfera.

Kimia persekitaran atmosfera

Atmosfera adalah lapisan gas yang mengelilingi Bumi; ia merupakan sistem yang sangat kompleks, di mana suhu, tekanan dan komposisi kimia, berbeza dengan ketinggian dalam jarak yang sangat luas.

Matahari mengebom atmosfera dengan sinaran dan zarah bertenaga tinggi; fakta ini mempunyai kesan kimia yang sangat ketara di semua lapisan atmosfera, tetapi khususnya, di lapisan atas dan luar.

-Stratosfera

Reaksi fotodisosiasi dan fotosionisasi berlaku di kawasan luar atmosfera. Di wilayah yang tingginya antara 30 dan 90 km diukur dari permukaan bumi, di stratosfer, ada lapisan yang terutama mengandung ozon (O ₃ ), disebut lapisan ozon.

Lapisan ozon

Ozon menyerap sinaran ultraviolet bertenaga tinggi yang berasal dari matahari dan jika bukan kerana adanya lapisan ini, tidak ada bentuk kehidupan yang diketahui di planet ini yang dapat bertahan.

Pada tahun 1995, ahli kimia atmosfera Mario J. Molina (Mexico), Frank S. Rowland (Amerika) dan Paul Crutzen (Belanda), memenangi Hadiah Nobel Kimia untuk penyelidikan mereka mengenai pemusnahan dan penipisan ozon di stratosfer.

Gambar 2. Skema penipisan pada lapisan ozon. Dari nasa.gov

Pada tahun 1970 Crutzen menunjukkan bahawa nitrogen oksida memusnahkan ozon melalui tindak balas kimia pemangkin. Selanjutnya Molina dan Rowland pada tahun 1974, menunjukkan bahawa klorin dalam sebatian klorofluorokarbon (CFC) juga mampu menghancurkan lapisan ozon.

-Troposfera

Lapisan atmosfera dekat permukaan bumi, antara 0 dan 12 km tinggi, yang disebut troposfera, terutama terdiri dari nitrogen (N ₂ ) dan oksigen (O ₂ ).

Gas beracun

Hasil daripada aktiviti manusia, troposfera mengandungi banyak bahan kimia tambahan yang dianggap sebagai pencemar udara seperti:

• Karbon dioksida dan monoksida (CO ₂ dan CO).
• Metana (CH ₄ ).
• Nitrogen oksida (TIDAK).
• Sulfur dioksida (SO ₂ ).
• Ozon O ₃ (dianggap sebagai pencemar di troposfer)
• Sebatian organik yang mudah menguap (VOC), serbuk atau zarah pepejal.

Di antara banyak bahan lain, yang mempengaruhi kesihatan manusia dan tumbuhan dan haiwan.

Hujan asid

Sulfur oksida (SO ₂ dan SO ₃ ) dan nitrogen oksida seperti nitrous oxide (NO ₂ ) menyebabkan masalah persekitaran lain yang disebut hujan asid.

Oksida-oksida ini, yang terdapat di troposfera terutama sebagai hasil pembakaran bahan bakar fosil dalam kegiatan industri dan pengangkutan, bertindak balas dengan air hujan yang menghasilkan asam sulfat dan asam nitrat, dengan adanya pemendakan asid.

Rajah 3. Skema hujan asid. Sumber: Alfredsito94, dari Wikimedia Commons

Dengan memicu hujan ini yang mengandungi asid kuat, ia mencetuskan beberapa masalah persekitaran seperti pengasaman laut dan perairan segar. Ini menyebabkan kematian organisma akuatik; pengasidan tanah yang menyebabkan kematian tanaman dan pemusnahan oleh tindakan kimia kakisan bangunan, jambatan dan monumen.

Masalah persekitaran atmosfera lain adalah asap fotokimia, yang disebabkan terutamanya oleh nitrogen oksida dan ozon tropospherik.

Pemanasan global

Pemanasan global dihasilkan oleh kepekatan tinggi atmosfera CO ₂ dan gas rumah hijau lain (GHG), yang menyerap lebih sinaran inframerah yang dipancarkan oleh haba permukaan dan perangkap Bumi dalam troposfera. Ini menghasilkan perubahan iklim di planet ini.

Kimia persekitaran hidrosfera

Hidrosfera terdiri dari semua badan air di Bumi: permukaan atau tanah lembap - lautan, tasik, sungai, mata air - dan bawah tanah atau akuifer.

- Air segar

Air adalah bahan cecair yang paling biasa di planet ini, ia merangkumi 75% permukaan bumi dan sangat penting untuk kehidupan.

Semua bentuk kehidupan bergantung pada air tawar (ditakrifkan sebagai air dengan kandungan garam kurang dari 0.01%). 97% air di planet ini adalah air masin.

Dari baki 3% air tawar, 87% adalah:

• Tiang Bumi (yang mencair dan mencurah ke laut kerana pemanasan global).
• Glasier (juga dalam proses penghilangan).
• Air bawah tanah.
• Air dalam bentuk wap terdapat di atmosfera.

Hanya 0.4% dari jumlah air tawar planet ini yang boleh digunakan. Penyejatan air dari lautan dan curah hujan berterusan memberikan peratusan kecil ini.

Kimia persekitaran air mengkaji proses kimia yang berlaku dalam kitaran air atau kitaran hidrologi dan juga mengembangkan teknologi untuk pemurnian air untuk penggunaan manusia, perawatan air limbah industri dan bandar, penyahgaraman air laut, kitar semula dan menyimpan sumber ini antara lain.

-Kitar air

Kitaran air di Bumi terdiri daripada tiga proses utama: penyejatan, pemeluwapan dan pemendakan, dari mana tiga litar berasal:

1. Larian permukaan
2. Evapotranspirasi tumbuhan
3. Penyusupan, di mana air melepasi ke permukaan bawah tanah (phreatic), beredar melalui saluran akuifer dan daun melalui mata air, air pancut atau telaga.

Rajah 4. Kitaran air. Sumber: Wasserkreislauf.png: dari: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo, via Wikimedia Commons

-Kesan antropologi pada kitaran air

Kegiatan manusia memberi kesan kepada kitaran air; beberapa sebab dan kesan tindakan antropologi adalah seperti berikut:

Pengubahsuaian permukaan tanah

Ia dihasilkan oleh pemusnahan hutan dan ladang dengan penebangan hutan. Ini mempengaruhi kitaran air dengan menghilangkan evapotranspirasi (pengambilan air oleh tanaman dan kembali ke persekitaran dengan peluh dan penyejatan) dan dengan meningkatkan limpasan.

Peningkatan larian permukaan menghasilkan peningkatan aliran sungai dan banjir.

Urbanisasi juga mengubah permukaan tanah dan mempengaruhi siklus air, kerana tanah berliang diganti dengan simen dan aspal yang tidak kedap, yang membuat penyusupan tidak mungkin dilakukan.

Pencemaran kitaran air

Kitaran air melibatkan keseluruhan biosfer dan akibatnya, sisa buangan manusia dimasukkan ke dalam kitaran ini dengan proses yang berbeza.

Bahan pencemar kimia di udara dimasukkan ke dalam hujan. Agrokimia yang digunakan untuk tanah, mengalami pencucian dan penyusupan ke akuifer, atau mengalir ke sungai, tasik dan laut.

Juga pembaziran lemak dan minyak dan pencucian sampah di tempat pembuangan sampah, dibawa oleh penyusupan ke air bawah tanah.

Pengekstrakan bekalan air dengan cerukan berlebihan dalam sumber air

Amalan overdraf ini menghasilkan penipisan simpanan air bawah tanah dan permukaan air, mempengaruhi ekosistem dan menghasilkan penenggelaman tanah tempatan.

Kimia persekitaran tanah

Tanah adalah salah satu faktor terpenting dalam keseimbangan biosfera. Mereka menyediakan sauh, air dan nutrien kepada tanaman, yang merupakan pengeluar rantai trofik terestrial.

Tanah

Tanah dapat didefinisikan sebagai ekosistem yang kompleks dan dinamik dari tiga fasa: fasa padat dengan sokongan mineral dan organik, fasa cair berair dan fasa gas; dicirikan oleh mempunyai fauna dan flora tertentu (bakteria, kulat, virus, tumbuhan, serangga, nematoda, protozoa).

Sifat tanah sentiasa dimodifikasi oleh keadaan persekitaran dan oleh aktiviti biologi yang berkembang di dalamnya.

Kesan antropologi ke atas tanah

Kerosakan tanah adalah proses yang menurunkan kapasiti produktif tanah, mampu menghasilkan perubahan yang mendalam dan negatif dalam ekosistem.

Faktor-faktor yang menghasilkan degradasi tanah adalah: iklim, fisiografi, litologi, tumbuh-tumbuhan dan tindakan manusia.

Rajah 5. Tanah yang rosak. Sumber: pexels.com

Oleh tindakan manusia boleh berlaku:

• Kerosakan fizikal tanah (contohnya, pemadatan dari amalan pertanian dan peternakan yang tidak betul).
• Kemerosotan kimia tanah (pengasidan, pengalkalan, pengasinan, pencemaran dengan agrokimia, dengan efluen dari aktiviti industri dan bandar, tumpahan minyak, antara lain).
• Kerosakan biologi tanah (penurunan kandungan bahan organik, degradasi penutup tumbuh-tumbuhan, kehilangan mikroorganisma penetapan nitrogen, antara lain).

Hubungan kimia - persekitaran

Kimia alam sekitar mengkaji proses kimia yang berlainan yang berlaku di tiga bahagian persekitaran: atmosfera, hidrosfera dan tanah. Sangat menarik untuk mengkaji pendekatan tambahan pada model kimia sederhana, yang cuba menjelaskan pemindahan global mengenai perkara yang berlaku di persekitaran.

-Model Garrels dan Lerman

Garrels dan Lerman (1981) mengembangkan model biogeokimia permukaan Bumi yang disederhanakan, yang mengkaji interaksi antara atmosfer, hidrosfera, kerak bumi dan petak biosfera yang disertakan.

Model Garrels dan Lerman menganggap tujuh mineral penyusun utama planet ini:

1. Gipsum (CaSO ₄ )
2. Pirit (FeS ₂ )
3. Kalsium karbonat (CaCO ₃ )
4. Magnesium karbonat (MgCO ₃ )
5. Magnesium Silikat (MgSiO ₃ )
6. Ferrik oksida (Fe ₂ O ₃ )
7. Silikon dioksida (SiO ₂ )

Bahan organik konstituen dari biosfer (hidup dan mati), dinyatakan sebagai CH ₂ O, yang merupakan komposisi stoikiometrik tisu hidup.

Dalam model Garrels dan Lerman, perubahan geologi dikaji sebagai pemindahan jirim antara lapan komponen planet ini, melalui tindak balas kimia dan keseimbangan pemuliharaan jisim.

Pengumpulan CO

Sebagai contoh, masalah pengumpulan CO ₂ di atmosfera dikaji dalam model ini, mengatakan bahawa: kita sedang membakar karbon organik yang tersimpan di biosfer sebagai arang batu, minyak dan gas asli yang disimpan di dalam tanah pada masa geologi masa lalu .

Hasil daripada pembakaran bahan bakar fosil secara intensif ini, kepekatan CO ₂ atmosfera semakin meningkat.

Peningkatan kepekatan CO ₂ di atmosfer Bumi disebabkan oleh fakta bahawa kadar pembakaran karbon fosil melebihi kadar penyerapan karbon oleh komponen lain dari sistem biogeokimia Bumi (seperti organisma fotosintetik dan hidrosfera, misalnya).

Dengan cara ini, pelepasan CO ₂ ke atmosfer disebabkan oleh aktiviti manusia, melampaui sistem peraturan yang memodulasi perubahan di Bumi.

Saiz biosfera

Model yang dikembangkan oleh Garrels dan Lerman juga menganggap bahawa ukuran biosfera meningkat dan menurun sebagai hasil keseimbangan antara fotosintesis dan pernafasan.

Semasa sejarah kehidupan di Bumi, jisim biosfera meningkat secara berperingkat dengan kadar fotosintesis yang tinggi. Ini menghasilkan simpanan karbon organik dan pelepasan oksigen:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

Pernafasan sebagai aktiviti metabolik mikroorganisma dan haiwan yang lebih tinggi, mengubah karbon organik kembali menjadi karbon dioksida (CO ₂ ) dan air (H ₂ O), iaitu, ia membalikkan tindak balas kimia sebelumnya.

Kehadiran air, penyimpanan karbon organik dan penghasilan oksigen molekul adalah asas bagi kehidupan.

Aplikasi Kimia Alam Sekitar

Kimia alam sekitar menawarkan penyelesaian untuk pencegahan, mitigasi dan pemulihan kerosakan persekitaran yang disebabkan oleh aktiviti manusia. Di antara beberapa penyelesaian ini dapat kita sebutkan:

• Reka bentuk bahan baru yang disebut MOF's (untuk singkatannya dalam bahasa Inggeris: Metal Organic Frameworks). Ini sangat berliang dan mempunyai keupayaan untuk: menyerap dan menahan CO ₂ , memperoleh H ₂ O dari wap udara di kawasan gurun dan menyimpan H ₂ dalam bekas kecil.
• Penukaran sampah menjadi bahan mentah. Contohnya, penggunaan tayar usang dalam penghasilan rumput tiruan atau tapak kasut. Juga penggunaan sisa pemangkasan tanaman, dalam penghasilan biogas atau bioetanol.
• Sintesis kimia pengganti CFC.
• Pengembangan tenaga alternatif, seperti sel hidrogen, untuk penjanaan elektrik yang tidak mencemarkan.
• Pengawalan pencemaran atmosfera, dengan penapis lengai dan penapis reaktif.
• Penyahgaraman air laut dengan osmosis terbalik.
• Pengembangan bahan baru untuk flokulasi bahan koloid yang digantung di dalam air (proses pemurnian).
• Pembalikan eutrofikasi tasik.
• Perkembangan "kimia hijau", trend yang mencadangkan penggantian sebatian kimia toksik dengan yang kurang toksik, dan prosedur kimia "mesra alam". Sebagai contoh, ia digunakan dalam penggunaan pelarut dan bahan mentah yang kurang toksik, di industri, dalam cucian kering cucian, antara lain.

Rujukan

1. Calvert, JG, Lazrus, A., Kok, GL, Heikes, BG, Walega, JG, Lind, J., dan Cantrell, CA (1985). Mekanisme kimia penghasilan asid di troposfera. Alam, 317 (6032), 27-35. doi: 10.1038 / 317027a0.
2. Crutzen, PJ (1970). Pengaruh nitrogen oksida pada kandungan atmosfera. QJR Metheorol. Soc Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. Garrels, RM dan Lerman, A. (1981). Kitaran phanerozoik karbon dan sulfur enapan. Prosiding Akademi Sains Semula jadi. AS 78: 4,652-4,656.
4. Hester, RE dan Harrison, RM (2002). Perubahan Alam Sekitar Global. Persatuan Kimia Diraja. hlm 205.
5. Hites, RA (2007). Unsur-unsur Kimia Alam Sekitar. Wiley-Interscience. hlm 215.
6. Manahan, SE (2000). Kimia Alam Sekitar. Edisi ketujuh. CRC. hlm 876
7. Molina, MJ dan Rowland, FS (1974). Stratospheric sink untuk klorofluorometana: atom klorin yang menyebabkan pemusnahan ozon. Alam semula jadi. 249: 810-812.
8. Morel, FM dan Hering, JM (2000). Prinsip dan Aplikasi Kimia Akuatik. New York: John Wiley.
9. Stockwell, WR, Lawson, CV, Saunders, E., dan Goliff, WS (2011). Kajian mengenai Kimia Atmosfera Troposfera dan Mekanisme Kimia Fasa Gas untuk Pemodelan Kualiti Udara. Suasana, 3 (1), 1–32. doi: 10.3390 / atmos3010001