Il corso verterà sulla chimica delle sfere ambientali e sulla loro reciproca influenza tramite trasferimenti di massa ed energia. Sarà poi preso in considerazione l'effetto degli inquinanti sugli equilibri chimici nelle e attraverso le varie sfere e, viceversa, l'azione che questi equilibri hanno sugli inquinanti stessi, con particolare attenzione alle conseguenze sulla biosfera e gli ecosistemi naturali.
(a) Stanley E. Manahan Environmental Chemistry 10th Edition, Lewis Publishers. (b) Colin Baird and Micheal Cann Chimica ambientale, Zanichelli.
Altro materiale verrà consigliato durante le lezioni
Obiettivi Formativi
Alla fine del corso lo studente avrà familiarità con la struttura dell’ambiente terrestre, la sua suddivisione in sfere e con i processi chimici, le reazioni e le condizioni che in esse si verificano.
- sarà in grado di mettere in relazione i vari aspetti della chimica dell’ambiente e la reciproca influenza fra le sfere; di analizzare gli effetti delle attività umane sui cicli biogeochimici a livello degli ambienti naturali e su scala globale
- saprà fare degli esempi di nuovi approcci chimici sia per lo sviluppo di processi a basso impatto ambientale sia per la depurazione e il ripristino di aree compromesse
Prerequisiti
chimica generale e chimica organica di base
Metodi Didattici
Lezioni frontali che comprenderanno discussioni in classe e attività di gruppo
Altre Informazioni
Modalità di verifica apprendimento
esame orale con presentazione di un argomento a partire da un articolo scientifico. L’argomento riguarderà uno dei temi trattati a lezione e la presentazione dovrà estendere tale argomento anche corredandolo con una ricerca della letteratura scientifica. Inoltre è prevista una discussione con domande per valutare la capacità dello studente di discutere criticamente gli argomenti trattati nel corso.
Programma del corso
Introduzione alla chimica dell’ambiente. Definizione di sfere ambientali e scambi di materia ed energia fra le sfere. I cicli biogeochimici dei principali elementi. Il capitale naturale e l’azione dell’uomo. Caratteristiche peculiari di ciascuna sfera e loro interconnessione. Ricerca bibliografica: banche dati, ricerca per parole chiave e subject headings, analisi critica di un articolo scientifico. Richiami di chimica generale e chimica organica: concentrazioni, equilibri di reazione, solubilità e prodotto di solubilità, reazioni acido-base e sistemi tampone, l’alcalinità. L’idrosfera e la chimica dell’idrosfera: circolazione delle specie chimiche e reazioni in ambiente acquoso. La vita in acqua. Importanza dell’acqua per gli esseri viventi. Riconoscere i diritti civili dell’acqua per la sua salvaguardia. L’importanza della cinetica nelle reazioni in acqua e descrizione tramite equilibri. I gas disciolti in acqua e la domanda biochimica di ossigeno. Il sistema carbonato. L’acidità dell’acqua e la capacità del sistema carbonato di mantere un pH adatti alla vita. Diagramma delle frazioni molari delle specie del sistema carbonato in funzione del pH: specie predominanti. Alcalinità vs basicità, dipendenza dal pH. Fertilità dell’acqua in relazione a alcalinità e pH. Metalli in acqua e reazioni acido-base e di complessazione. Ruolo del calcio in acqua. Fosfati e fosfonati. Le sostanze umiche.
I metalli pesanti nell’ambiente: mangrovie e fitorisanamento. I distruttori endocrini e loro effetti sulla fauna: il caso del rospo delle canne. Gli inquinanti organici persistenti nell’idrosfera: formazione destino e degradazione dell’esaclorocicloesano.
Reazioni redox nell’idrosfera. Potenziale standard e l’equazione di Nernst. Relazione fra pE e pH. Diagrammi pE-pH delle specie in acqua. Redox e le sostanze umiche.
Solidi e gas in acqua: solubilità, dissoluzione. Formazione dei sedimenti. I colloidi. Scambi di ioni e trasporto di specie da parte dei colloidi. Biochimica acquatica: i microorganismi in acqua. Classificazione dei microorganismi, loro importanza sulla chimica dell’acqua, metabolismo. Batteri che producono metano. Reazioni di fermentazione. Biodegradazione dei composti organici quali idrocarburi e pesticidi. Trasformazione microbica dell’azoto. Trasformazione microbica degli alogeni e dei composti organici clorurati. Reazioni redox che coinvolgono microorganismi.
L’acidificazione degli oceani e il sistema carbonato. Plastiche, microplastiche ed effetti sugli ambienti naturali.
Nuovi inquinanti dell’acqua (nanomateriali, silossani, sottoprodotti dei disinfettanti, antibiotici, farmaci, composti organici persistenti, radionuclidi ecc). Metalli pesanti e semimetalli: mercurio, cadmio, piombo e arsenico.
L’atmosfera: struttura e composizione. Trasferimenti di massa ed energia nell’atmosfera. Reazioni chimiche e fotochimiche. Ioni e radicali in atmosfera: il radicare OH. Il ciclo dell’ossigeno. Reazioni acido-base nell’atmosfera. Importanza della CO2 e dell’acqua nell’atmosfera.
La radiazione solare e lo strato di ozono. Reazioni di formazione dell’ozono. Come si misura la concentrazione dell’ozono. Emivita dell’ozono e ciclo dell’ozono. Effetti della radiazione ultravioletta sulla biosfera e sui cicli biogeochimici. Il buco dell’ozono e il protocollo di Montreal. I clorofluorocarburi e la distruzione dell’ozono. Persistenza e prodotti alternativi.
Le reazioni acido-base nell’atmosfera e le piogge acide. Gas responsabili delle piogge acide e formazione di acidi forti nell’atmosfera. Effetti delle piogge acide su biosfera, idrosfera e geosfera. Danni al patrimonio artistico. Azioni per contrastare le piogge acide.
La radiazione solare e la radiazione di corpo nero. Radiazione solare e temperatura sulla terra. Albedo, aerosol e radiazione che raggiunge la superficie terrestre. La perdita di energia dalla superficie terrestre. Emissione di radiazione infrarossa. L’effetto serra. I gas serra e assorbimento della radiazione. Perché alcuni gas assorbono la radiazione ed altri no. I gas serra più importanti.
Misura della concentrazione della CO2, la curva di Keeling e i pattern della concentrazione della CO2. La prova dell’effetto serra della CO2. Effetti del riscaldamento globale sul clima e sulla vita sulla terra. Rimedi: cattura e stoccaggio della CO2 i vari metodi proposti. Produzione di H2 come combustibile. Caratteristiche chimico-fisiche della CO2 e implicazioni per lo stoccaggio nell’oceano. Stoccaggio sotto la superficie terrestre. Biocarburanti, bioetanolo e biodiesel.
La geosfera e la sua composizione. I tipi di rocce e il ciclo delle rocce. Fenomeni di erosione e le reazioni chimiche coinvolte. Struttura e importanza delle argille. I sedimenti. L’acqua di falda. I pozzi e l’inquinamento da arsenico. La geosfera e il capitale naturale. Il suolo e la chimica del suolo. L’acqua nel suolo e ciclo dell’acqua. Sostanza organica nel suolo e sua importanza per la fertilità del suolo. La sostanza umica del suolo e il suo ruolo nelle interazioni con le proteine e negli scambi di nutrienti con le piante. Contaminazione del suolo da bifenili clorurati. Diffusione di questi inquinanti in tutte le sfere. Biomagnificazione. Esempi di inquinanti organici persistenti e loro diffusione nelle sfere ambientali.
I detergenti: struttura, persistenza e biodegradazione. Problemi ambientali. Detergenti biodegradabili. Pesticidi: classi di pesticidi, diffusione. Inquinamento da pesticidi e ricircolo nelle sfere ambientali. I neonicotinoidi nel miele. Esempio di un pesticida a media persistenza: distribuzione ambientale e degradazione. Pesticidi verdi, efficacia, persistenza e sicurezza. Le diossine: formazione e tossicità, diffusione e il “problema” degli inceneritori. Approfondimento sui detergenti biodegradabili: struttura e biodegradabilità, diffusione e presenza nei fanghi usati in agricoltura.
Tecniche analitiche in chimica ambientale: analisi volumetrica, gravimetrica elettrochimica, spettroscopica, cromatografica e spettrometria di massa.