2.3: Що таке хімія навколишнього середовища?

Практика зеленої хімії повинна базуватися на хімії навколишнього середовища. Ця важлива галузь хімічної науки визначається як вивчення джерел, реакцій, транспорту, впливу та долі хімічних видів у воді, ґрунті, повітрі та живих середовищах та впливу технологій на них. ¹ Рисунок 2.2 ілюструє це визначення хімії навколишнього середовища з важливим типом екологічних хімічних видів. У цьому прикладі два інгредієнти, необхідні для утворення фотохімічного смогу - оксид азоту і вуглеводні - викидаються в атмосферу з транспортних засобів і транспортуються через атмосферу вітровими і повітряними потоками. В атмосфері енергія сонячного світла спричиняє фотохімічні реакції, які перетворюють оксид азоту та вуглеводні в озон, шкідливі органічні сполуки та тверді частинки, що характерно для фотохімічного смогу. Виявляються різні шкідливі ефекти, такі як частинки, що затьмарюють видимість в атмосфері, або озон, який шкідливий для здоров'я при вдиханні людиною, або токсичний для рослин. Нарешті, продукти смогу потрапляють на грунт, осідає на поверхнях рослин або у водоймах.

Малюнок 2.2.1, що показує п'ять екологічних сфер, може дати уявлення про складність хімії навколишнього середовища як дисципліни. Величезна кількість матеріалів та енергії постійно обмінюються між п'ятьма екологічними сферами. Окрім змінних потоків матеріалів, існують зміни температури, інтенсивності сонячного випромінювання, змішування та інших факторів, які сильно впливають на хімічні умови та поведінку.

У цій книзі підкреслюється роль хімії навколишнього середовища в практиці зеленої хімії. Зелена хімія практикується для мінімізації впливу хімічних речовин і хімічних процесів на людину, інші живі організми, навколишнє середовище в цілому. Тільки в рамках знань хімії навколишнього середовища можна успішно практикувати зелену хімію.

\(\PageIndex{1}\)Малюнок Ілюстрація визначення хімії навколишнього середовища із загальним забруднювачем навколишнього середовища

Існує кілька сильно взаємопов'язаних і перекриваються категорій хімії навколишнього середовища. Водна хімія займається хімічними явищами і процесами у воді. Водні хімічні процеси дуже сильно впливають мікроорганізми у воді, тому існує міцний зв'язок між гідросферою і біосферою в тому, що стосується таких процесів. Водні хімічні процеси відбуваються в основному в «природних водах», що складаються з води в океанах, водоймах прісної води, струмках і підземних водоносних горизонтах. Це місця, в яких гідросфера може взаємодіяти з геосферою, біосферою, атмосферою і часто піддається антросферним впливам. Аспекти водної хімії розглядаються в різних розділах цієї книги і розглядаються конкретно в главі 9, «Вода, кінцева зелена речовина».

Хімія атмосфери - це галузь хімії навколишнього середовища, яка розглядає хімічні явища в атмосфері. Дві речі, які роблять цю хімію унікальною, - це екстремальне розведення важливих атмосферних хімічних речовин та вплив фотохімії. Фотохімія виникає, коли молекули поглинають фотони високоенергетичного видимого світла або ультрафіолетового випромінювання, стають під напругою («збудженими») і проходять реакції, які призводять до різних продуктів, таких як фотохімічний смог. Крім реакцій, що відбуваються в газовій фазі, багато важливих атмосферних хімічних явищ відбуваються на поверхнях дуже дрібних твердих частинок, зважених в атмосфері і в крапельках рідини в атмосфері. Хоча жодні істотні атмосферні хімічні реакції не опосередковані організмами в атмосфері, мікроорганізми відіграють сильну роль у визначенні видів, які потрапляють в атмосферу. Як приклади, бактерії, що ростуть за відсутності кисню, наприклад, в шлунках корів і під водою в рисових порах, є єдиним найбільшим джерелом вуглеводню в атмосфері через велику кількість метану, який вони виділяють. Найбільше джерело органічних сполук сірки в атмосфері складається з мікроорганізмів в океанах, які виділяють диметилсульфід. Атмосферна хімія розглядається конкретно в главі 10, «Синє небо для зеленого середовища».

Хімічні процеси, що відбуваються в геосфері за участю мінералів та їх взаємодії з водою, повітрям та живими організмами, розглядаються темою геохімії. Особлива галузь геохімії, хімія грунту, займається хімічними і біохімічними процесами, які відбуваються в грунті. Аспекти геохімії пояснюються в главі 11, «Геосфера і зелена Земля», а ґрунтова та сільськогосподарська хімія висвітлюються в Главі 12, «Біосфера і годування голодного світу.

Біохімія навколишнього середовища стосується біологічно опосередкованих процесів, що відбуваються в навколишньому середовищі. Такі процеси включають, як приклади, біодеградацію органічних відходів у ґрунті або воді та процеси в межах біогеохімічних циклів, такі як денітрифікація, яка повертає хімічно пов'язаний азот в атмосферу як азотний газ. Основи біохімії представлені в розділі 7, «Хімія життя і зелена хімія», а інші аспекти біохімії представлені в Главі 12, «Біосфера і годування голодного світу». Глава 14, «Годування антросфери: використання відновлюваних та біологічних матеріалів», обговорює, як хімічні процеси, що здійснюються організмами, можуть виробляти матеріальну сировину, необхідну для практики зеленої хімії. Токсичний вплив хімічних речовин викликає першорядне занепокоєння хіміків та громадськості. Глава 16, «Тероризм, токсичність та вразливість: Зелена хімія та технологія на захист добробуту людини» стосується аспектів цих токсичних ефектів та обговорює токсикологічну хімію.

Хоча не існує формально визнаної галузі хімії, відомої як «антросферна хімія», більшість хімічних наук та інженерії, розроблених на сьогоднішній день, займається хімією, що проводиться в антросфері. У комплект входить промислова хімія, яка дуже тісно пов'язана з практикою зеленої хімії. Хороший спосіб розглядати «антросферну хімію» з точки зору зеленої хімії є в контексті промислової екології. Промислова екологія розглядає промислові системи аналогічно природним екосистемам. У системі промислової екології різні виробничі та переробні операції здійснюють «промисловий метаболізм» на матеріалах. Успішна промислова екосистема добре збалансована і різноманітна, з різними підприємствами, які генерують продукцію один для одного і використовують продукти один одного і потенційні відходи. Добре функціонуюча промислова екосистема максимально переробляє матеріали і виробляє мало - в ідеалі немає - відходів. Тому хороша промислова екосистема - це зелена хімічна система. Промислова екологія та антросферна хімія навколишнього середовища розглядаються в розділі 13, «Антросфера, зелена хімія та промислова екологія».