Çevre kimyasi

ÇEVRE KİMYASI

• ÇEVRE; insanların ve diğer canlıların yaşamları boyunca ilişkilerini sürdürdükleri ve karşılıklı olarak etkileşim içinde bulundukları fiziki, biyolojik, sosyal, ekonomik ve kültürel ortamdır.

• Çevre Kimyası ; hava, su ve topraktaki kimyasal türlerin yok oluşlarını, etkilenmelerini, değişimlerini, tepkimelerini ve kaynaklarını inceleyen kimya dalıdır.

• İnsan yaşamı çeşitli dengeler üzerine kurulmuştur. Bu denge insanlığın tarihi boyunca çeşitli etkileşimlerin sonucunda oluşmuştur. İnsanın çevresiyle oluşturduğu doğal dengeyi meydana getiren zincirin halkalarında meydana gelen kopmalar, zincirin tümünü etkileyip, bu dengenin bozulmasına sebep olmakta ve çevre sorunlarını oluşturmaktadır.

• İnsanların çevre açısından karşı karşıya kaldığı başlıca problemler şöyle özetlenebilir:

• 1-Hava, su ve toprakların her geçen gün artan oranlarda kirlenmesi ve önemli bir kısmının kullanılamaz hale gelmesi,

• 2-Özellikle Büyükşehir ve sanayi bölgelerinin çevre kirliliği sebebiyle yaşanamaz hale gelmesi,

• 3-Ozon tabakasının delinmesi,

• 4-Yerkürenin giderek ısınması,

• 5-Kanser ve benzeri hastalıkların artması,

• 6-Doğal kaynakların hızla tüketilmesi,

• Hava, su ve toprak çevrenin fiziksel unsurlarını, insan, hayvan ve diğer mikroorganizmalar ise biyolojik unsurlarını teşkil eder.

ÇEVRE KİRLİLİĞİ

• Doğanın temel fiziksel unsurları olan hava, su ve toprak üzerinde olumsuz etkilerin ortaya çıkması ve canlı öğelerin hayati fonksiyonlarını, aktivitelerini, eylemlerini olumsuz yönde etkileyen çevre sorunlarına Çevre Kirliliği adı verilir.

• ÇEVRE KİRLİLİĞİNİN SINIFLANDIRILMASI

• 1. Fiziksel Kirlenme

• Çevreyi meydana getiren toprak, su ve havanın fiziksel özelliklerinin tamamının, canlı sağlığını tehdit edecek, olumsuz yönde etkileyecek biçimde bozulması ve değişmesi olayıdır. Fiziksel kirlenme renk, tanecik boyutu gibi fiziksel özelliklerin değişimine yol açar.

• Atmosfere salınan toz, duman gibi kirleticiler havada koyu renkli bir görünüm ortaya çıkarır. Fabrika atıklarının akarsu ve göllere boşaltılması ve erozyon nedeniyle hem akarsular daha bulanık görünür hem de dibi yabancı maddelerle dolar. Ayrıca arazilere atılan çöpler toprakta fiziksel kirlenmeler meydana getirir.

• 2. Kimyasal Kirlenme

• Doğal çevreyi oluşturan toprak, su ve havanın kimyasal özelliklerinin, canlıların hayati faaliyetlerini olumsuz yönde etkileyecek şekilde bozulmasıdır.

• Örneğin CO2 , SO2 , CO derişiminin artmasıyla havanın kimyasal özellikleri değişir. Bu türler bir takım tepkimelere de girmek suretiyle canlı hayatını tehdit eder. Akarsulara atılan ağır metaller suyun kimyasal bileşimini değiştirir. Tarım ilacı olarak kullanılan maddelerin toprağın organik yapısına olumsuz etkisi olabilir.

• 3. Biyolojik Kirlenme

• Doğal çevreyi oluşturan toprak, hava ve suyun çeşitli zararlı mikroorganizmalarla kirlenmesi ve bu ortamlardaki canlı hayatı olumsuz yönde etkilemesidir.

• Örneği tarım alanlarının kanalizasyon sularıyla sulanması atık sulardaki bir takım zararlı mikroorganizmaların diğer canlılara geçmesine neden olur.

Karbon Çevrimi

Son 50 yılda CO2 derişimi

Azot çevrimi

Yerkürede kükürt çevrimi

• Yerkürede kükürt çevrimi

HAVA

• Hava yeryüzünden itibaren 10 km yukarıya kadar ki bölgede bulunur. Hava hacimce % 0,1 ile 5 arasında su içerir.

• - Kuru havanın bileşenleri % hacim ;

• ana bileşenler

• N2 : % 78,08 O2 : % 20,95

• - İkincil bileşenler ;

• Ar : % 0,934 CO2 : % 0,035

• - Asal Gazlar ;

• Ne : % 1,818 x 10-3 Xe : % 8,7 x 10-6

• Kr: % 1,14 x 10-4 He : % 5,24 x 10-4

Kuru Havadaki Eser Gazlar

Atmosfer

• Atmosfer yeryüzündeki canlı hayatı sürdürmeye yarayan ve yeryüzünü dış uzaydan gelebilecek tehlikelere karşı koruyan bir battaniye olarak tanımlanabilir. Bitkilerin fotosentezi için karbondioksit diğer canlıların solunumu için gerekli oksijenin kaynağıdır. Ayrıca hayat zincirindeki önemli elementlerden biri olan azotun da kaynağıdır. Güneş enerjisiyle buharlaşan suyun atmosferde yoğunlaşmasıyla su çevrimine de katkıda bulunur.

• Atmosfer olmadan yeryüzünün sıcaklığının -18°C olabileceği hesaplanmaktadır. Yeryüzünün ortalama sıcaklığı 15 °C dir. Güneş ışınlarının yaklaşık %50 si yeryüzüne ulaşır, geriye kalan %20si ozon, CO2 gibi gazlar tarafından absorplanır, %30’u bulutlar, kar, çöl kumları gibi yansıtıcı maddeler tarafından uzaya geri yansıtılır. Yeryüzünün sıcaklığının aynı kalabilmesi absorplanan ışık ve yansıyan ışık oranının korunmasına bağlıdır.

• Atmosfer; insanoğlunun hayatını kısaltan ve kendi karekteristik özelliklerini değiştiren SO2 den soğutucu Freon gazlarına kadar çeşitli türlerdeki kirleticilerin tehdidi altındadır.

• Atmosfer hayatı koruyucu bir işlev üstlenir. Dış uzaydan gelen kozmik ışınları absorplar ve onların etkilerine karşı organizmaları korur, güneşin elektromanyetik ışınlarını absorplar, sadece 300nm ile 2500 nm arasındaki ışınların yeryüzüne ulaşmasına izin verir. 300 nm nin altındaki yaşayan organizmalara zararlı güneş ışınları absorplayarak yeryüzüne ulaştırmaz.

• Atmosfer bilimi atmosferde hava kütlesinin taşınması, atmosferik ısı dengesi, atmosferin kimyasal bileşimi ve tepkimeleri ile ilgilenir.

• Atmosferin yoğunluğu yerden yükseldikçe yerçekimi ve gaz kanunları nedeniyle azalır. Atmosferi kaplayan gazların %99 u yeryüzünden yaklaşık 30 km yükseklikteki bölgede bulunur.

• Atmosfer basıncı yükseklikle üstel olarak azalır.

• Ph=P0e-mgh/RT

• P0; deniz seviyesindeki basınç G; yer çekimi ivmesi(981 cm/s2 deniz seviyesinde)

• R; gaz sabiti(8,314107 erg/mol.K) h: yükseklik T: h yüksekliğindeki sıcaklık.

• m; havanın ortalama mol kütlesi (28,97 g/mol) Ph: h yüksekliğindeki basınç.

Atmosferin Ana bölgeleri

Elektromanyetik Spektrumda Bölgeler

Enerji Dengesi

ATMOSFERDEKİ KİMYASAL VE FOTOKİMYASAL TEPKİMELER

• Atmosferdeki kimyasal ve fotokimyasal tepkimeleri çalışmak hayli zordur. Oldukça düşük derişimlerde çalışıldığından atmosferdeki tepkime ürünlerini almak ve analiz etmek oldukça problemlidir. Bu tepkimeler genellikle laboratuvar şartlarına taşınarak çalışılır; bu sefer de bu şartlarda çalışmanın getirdiği girişimler, tepkime hızları, belli bir kapalı kapta tepkimeyi yapmanın getirdiği şartlar sonuçları etkilemektedir. Doğadaki şartların tamamını laboratuvar şartlarında sağlamak kabaca mümkün olabilir.

• Fotokimyasal Tepkimeler:

• Işığın bazı kimyasal türler tarafından absorpsiyonuyla meydana gelen tepkimeler fotokimyasal tepkimeler olarak adlandırılır.

• NO2 atmosferde fotokimyasal olarak aktif olan kirletici bir türdür. NO2 ışık enerjisini absorpladığında elektronik olarak uyarılmış moleküle dönüşür.

• NO2 +hν NO2*

• Elektronik olarak uyarılmış moleküller atmosferik kimyasal işlemlerde kararsız ve tepkimeye girmeye eğilimli türlerden biridir. Diğer ikisi de ortaklanmamış elektrona sahip atom veya moleküller (serbest radikaller) ve iyonlaşmış atom veya moleküllerdir.

• Bir molekül birkaç halde bulunabilir. Fakat UV ve GB ışığı molekülleri sadece birkaç düşük uyarılmış enerji seviyesine uyarabilir. Moleküller çoğunlukla çift elektron sayısına sahiptir. Absorplanan ışık orbitallerdeki elektronlardan birisini daha yüksek enerjili boş orbitale uyarabilir. Uyarılan elektronun spini değişmezse buna uyarılmış singlet hal denir. Bazen de uyarılan elektron uyarılırken spini değişebilir, buna da uyarılmış triplet hal denir.

• Eğer absorplanan ışık görünür bölge ışığı ise absorplayan tür de renkli olur. Renkli NO2 atmosferde yaygın olarak gözlenir. Fotokimyasal işlemin ilk adımı ışığın bir fotokimyasal enerji biriminin(kuantum) bir molekülü aktiflemesidir. Bir kuantumun enerjisi hν çarpımına eşittir.

• h: 6,62.10-27 erg. s (Plank sabiti) ,ν; absorplanan ışığın frekansı olup 1/s birimindedir.

Atmosferde Bir fotonun absorplanmasıyla uyarılmış enerji düzeyindeki türler aşağıdaki şekillerde enerjisini kaybederek tepkime oluştururlar.

• 1- Uyarılmış atom veya molekül diğer bir atom veya moleküle(M) aktararak enerjisini kaybeder(fiziksel sönümlenme)

• O2* + M O2 + M(yüksek öteleme enerjisi)

• 2-Uyarılmış molekül ayrışabilir.( atmosferin üst tabakalarındaki O2 bu şekilde davranır) O2* O+O

• 3-Diğer bir türle tepkimeye girebilir. O2*+O3 2O2+O

• 4-Lüminesans la enerjisini kaybedebilir. NO2* NO2 + hν

• 5-Lüminesans eğer ışık absorplamasıyla neredeyse anlık ise (floresansın ömrü çok kısadır.10-5 s den küçüktür) buna floresans, eğer bir süre sonra ise fosforesans adı verilir.(fosforesansın ömrü 10-5 den büyük hatta s veya dk lar düzeyinde sürer). Uyarılmış tür bir kimyasal tepkime ile oluşursa buna kemilüminesans denir.

• O3 + NO NO2*+O2

• 6-Moleküller arası enerji transferi olabilir. O2*+ NaO2+Na*

• (İkinci türden sonradan bir tepkime meydana gelirse buna fotosensitize tepkime denir)

• 7-Molekül içi enerji aktarımı olabilir.

• XY* XY#(aynı molekülün başka bir enerji düzeyine uyarılması)

• 8-Kendiliğinden olan bir dönüşme ile izomerleşme olabilir. o-nitrobenzaldehit + hν  o-nitrobenzoik asit

• 9-Bir elektron kaybederek fotoiyonizasyon oluşabilir. N2* N2++é

• 10-Bir molekülün ışık absorpsiyonuyla uyarılmasından serbest radikal oluşabilir.

• Serbest radikaller atmosferde karşılaşılan en önemli olaylardandır. Eşleşmemiş elektronu nedeniyle çok tepkimeye girme eğilimindedir. Radikaller bir zincir tepkimesi başlatabileceği gibi sonlandırabilir.

• H3C . + H3C .  C2H6

KÜRESEL ÖLÇEKTE HAVA KİRLİLİĞİ OZON TABAKASININ KİRLİLİKTEN ETKİLENMESİ

• Atmosferin alt tabakalarında tehlikeli bir kirletici olan ozon Stratosferde önemli bir koruyucudur. Oksijenin fotokimyasal ayrışması ile oluşur. Atmosferde, stratosfer tabakası içerisinde, yerden yaklaşık 19 ile 23. km’ler arasında bulunan ve maksimum olarak da 10 ppm ozon yoğunluğuna sahip olan katmana ozon tabakası denilmektedir.

Atmosferdeki ozon

• Ozonun%90ı stratosferde bulunur.

Ozon Ölçümü

• Ozon tabakasının kalınlığı ise, normal atmosfer basınç ve sıcaklığına indirilerek hesaplandığında 0,3 cm = 3mm = 300 Dobson Birimi olarak bulunmuştur. Burada;

• 1 Dobson Birimi; ozon hacminin yaklaşık milyarda bir kısmının, ortalama atmosferik konsantrasyonunu ifade eder.

• “Ozon tabakasında delik” şeklinde bir ifade yanlıştır. Burada bahsedilmek istenen ozon tabakasını oluşturan ozon derişiminde azalma veya ozon yoğunluğunda görülen azalmadır.

Ozon tabakasındaki azalmanın ortaya çıkışı

• Kuzey kutbunda ölçümlerin kaydedilmeye başladığı tarihten beri lokal düşüşler görülmüştür, fakat bu düşüşler süre ve miktar bakımından Güney kutbundaki kadar büyük ve etkili olmamıştır. Düşüşlerin görüldüğü dönem kış - ilkbahar dönemi olarak belirlenmiştir.

• Güney yarımkürede ozon tabakasında görülen incelme, Eylül ayı başından itibaren ortaya çıkmakta ve Ekim ayının ilk haftasında toplam ozonun en düşük seviyeye ulaşmasıyla birlikte iyice belirginleşmektedir. Kasım ayından itibaren ise, orta enlemlerden gelen ozonca zengin havanın etkisiyle incelme durmakta, yoğunluk artmakta ve Aralık ayının sonuna doğru da normale dönerek eski kalınlığına ulaşmaktadır.

• Antartika kışın neredeyse hiç güneş ışığı alamaz, hatta baharda bile oldukça az güneş ışığı alır. Bu yüzden kışın ozon üretilemez. İlkbaharda Güneş ışıkları bir miktar alınınca da aşağıdaki tepkimeyle oluşan ozon da harcanır.

• NO2 + ClO + M → ClONO2 + M

SERA ETKİSİ

• Sera etkisi genel olarak CO2 in meydana getirdiği bir problemdir. Ayrıca CH4, kloroflorokarbonlar(CFC) , ozon ve N2O da katkıda bulunur.

• Stratosfer ve daha üst katmanlarda soğurulmayan güneşin görünür ve UV ışınları yeryüzüne ulaşır, soğurulur ve ısıya çevrilir. Bu ısı kızılötesi (IR) ışın şeklinde atmosfere yayılır. CO2 , CH4, N2O gibi düşük titreşim enerjili moleküller, Kızılötesi ışınını soğurur ve tekrar yeryüzüne yayar. Yayılan enerji yeryüzünden uzaklaşamadığı için yeryüzü ve atmosferin alt tabakaları ısınır. Atmosferde bulunan gazların doğal sera etkisi meydana getirmesine ilaveten atmosferde kirletici olarak bulunan insan faaliyetlerinden meydana gelen kloroflorokarbonlar sera etkisini artırıcı etki gösterirler. Sera etkisinin yaklaşık % 80 inin CO2 katkısıyla oluştuğu tahmin edilmektedir.

• 1997 ‘ de Japonya ‘ da yapılan uluslar arası konferansta sera etkisine neden olan gazların azaltılması konusunda anlaşmaya varılmıştır.

• Sera etkisi sonucunda yeryüzünün ortalama sıcaklığı artar. Bu konuda bilgisayar modellemeleriyle yapılan çalışmalarda 3–4 ºC lık bir sıcaklık artışının, yağış düzenini aniden değiştireceği kutuplardaki buzulları eritmesi sonucunda okyanusların yükseleceği ve deniz kıyısındaki şehirlerin sular altında kalacağı tahmin edilmektedir.

Kyoto Sözleşmesi

• Küresel ısınmaya karşı alınacak önlemleri içeren uluslararası Kyoto Sözleşmesi, 16 şubat 2005'te yürürlüğe girmiştir. Japonya'nın eski imparatorluk başkenti Kyoto'da Nisan 1997'de imzalanan ve şimdiye kadar 140 ülke tarafından onaylanan Uluslararası Kyoto iklim sözleşmesi, taraf ülkelerin sera etkisine yol açan gazların havaya karışmasını engelleyecek ya da azaltacak önlemler almasını gerektirmektedir. Bu tür gazların en çok havaya karışmasına neden olan ülke ABD ise sözleşmeye imza koymuştur, ancak ekonomik gerekçelerle onaylamaya yanaşmmamaktadır. Kyoto Sözleşmesi, sanayi ülkelerini başta karbondioksit (CO2) olmak üzere dünyanın ısınmasına yol açan gazların emisyonunu sınırlandırmak zorunda bırakmaktadır.

• Fosil Yakıtların kullanımına kısıtlama

• Sözleşme, başta petrol olmak üzere fosil yakıtların kullanımına kısıtlama getirilmesini gerektirmektedir. Birleşmiş Milletler'e göre, atmosferdeki karbondioksitin yüzde 80'i, fosil enerji kaynaklarının ulaşım, ısınma ve sanayi alanlarında kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Sözleşmede, Kuzey'in sanayi ülkelerinin gaz emisyonunun 2012 yılına kadar 1990 yılına göre yüzde 5,2 azaltılması öngörülmektedir. Bu amaçla her ülkeye kota konmaktadır. Ancak ABD bu sözleşmeye uymadığı için, gaz emisyonundaki azalma yüzde 5,2 yerine ancak yüzde 2 olabilecektir.

• Sera etkisine yol açan gaz salınımının yüzde 36,1'inden tek başına sorumlu olan ABD ile yüzde 2.1'inden sorumlu Avusturalya protokolü imzaladılar, ancak onaylamamaktadırlar.

• Rusya'nın da protokole dahil olmasıyla birlikte sera etkisine yol açan gaz salınımında yüzde 61 düzeyindeki sorumlu ülke katılımına erişilmiştir. Atmosferdeki sera gazı birikimlerini, insanın iklim sistemi üzerindeki tehlikeli etkilerini önleyecek bir düzeyde tutmayı amaçlayan protokole göre, sanayileşmiş ülkelerin 2008-2012 yılları arasında, iklim dengesi üzerinde tehdit oluşturan başta karbondioksit olmak üzere gaz salınımlarını 1990 seviyesinin yüzde 5.2 altına çekmeleri gerekmektedir.

• Kyoto Protokolü'ne, bugüne kadar 39'u sanayileşmiş 141 ülke onay vermiştir.

• Türkiye ise indirim taahhüdünde bulunmamıştır.

Sera Etkisi

ASİT YAĞMURLARI

• Doğal yağmur suyunun pH sı havadaki CO2 nin suyla tepkimesinden dolayı 5,5 civarındadır. Atmosferik kirliliklerin etkisiyle bu değer pH=2 ye kadar düşebilir. Bu tür yağmurlara asit yağmuru denir. CO2(suda) dan daha kuvvetli asidik maddelerin yağışla yeryüzüne ulaşması bunun başlıca sebebidir. En fazla görüleni SO2 ve NO2 dir. Asit yağmurları en fazla sanayileşmiş bölgelerde ve fosil yakıtların yakılmasıyla oluşur.

• Bunun birinci sebebi SO2 nin suda daha çok çözünmesidir. SO2 nin Henry kanunu sabiti 1,2mol/L.at olmasına karşın CO2 nin ki 3,38.10-2 mol/L.at dir. C=k.Pgaz

• İkinci olarak SO2 nin birinci asitlik sabiti CO2 ninkinden çok yüksektir.

• SO2(suda) +H2O  H++ HSO3 Ka1= 1,7.10-2

• CO2(suda) +H2O  H++ HCO3 Ka1= 4,45.10-7

• Asit yağmurları asidik gazların havanın oksijeniyle yükseltgenmesinden de oluşur.

• SO2+ 1/2O2 + H2O [2H++SO4=]suda Bu tepkimeler birkaç adımda oluşur.

• NO2+ 1/2O2 + H2O 2[H++NO3-]suda

• Cl-, NH4+, Ca+2 gibi iyonlar da asit yağmurları oluştururlar. Asit yağmurları içinde en fazla sülfürik asit ondan sonra nitrik asit , üçüncü olarak da hidroklorik asit gözlenmiştir.

• Asit yağmurları 1964 -74 yıllarında Amerika’da pH 4-4,2 aralığında gözlenmiştir.

Asit yağmurlarının etkileri aşağıdaki gibi sıralanabilir

• Aşırı derişimlerde Bitki örtüsünde doğrudan zehirleme etkisi

• gösterir.

• Topraktaki Al bileşiklerini çözerek Al+3 ün serbest hale geçmesini sağlamak suretiyle dolaylı zehirlenmeye neden olabilir.

• Asitliğe duyarlı ormanları yok edebilir.

• İnsan ve hayvanlarda nefes almayı zorlaştırır.

• Göllerde asidik ve toksik etki göstererek canlı hayata zarar verir.

• Korozyona neden olur,

• Kireçtaşlarını çözerek atmosfere CO2 salınımına neden olur.

• CaCO3+2 H+  Ca+2+ CO2(g)+ H2O

Asit Yağmurlarının Ormanlara ve Göllere etkileri

FOTOKİMYASAL DUMAN

• Benzinli ve dizel taşıtların egzoz gazlarından kaynaklanan yanmamış hidrokarbon ve azot oksitleri emisyonlarının kirlettiği havada kuvvetli güneş ışığının etkisiyle gerçekleşen fotokimyasal tepkimenin oluşturduğu duman.

• Fotokimyasal duman oluşumu için tipik bir zincir tepkimesi

FOTOKİMYASAL DUMAN

HAVA KİRLETİCİLER (Kirletici gazlar ve Partiküler Maddeler)

• Atmosferde bulunan gazları 3 kısımda incelemek mümkündür ;

• A ) Azot, oksijen, ksenon, argon, neon gibi havada devamlı bulunan ve derişimi pek değişmeyen gazlar.

• B) CO2 , su buharı, ozon, NO, N2O gibi havada devamlı bulunan ve kirlilikle derişimi artan gazlar.

• C) Havadaki kirletici gazlar ve partiküler maddeler.

• Kaynaktan çıkışlarına göre kirleticiler; 1 º kirleticiler ve 2 º kirleticiler olmak üzere ikiye ayrılırlar ;

• Birincil kirleticiler ; Kaynaktan doğrudan çıkan ve atmosfere karışan SO2, H2S, CO2 ve partiküler maddelerdir.

• İkincil kirleticiler; Atmosferde bir takım reaksiyonlarla sonradan oluşan kirleticiler. NO2, SO3, H2SO4 , aldehitler ve ketonlardır.

PARTİKÜLER MADDE (PARÇACIK MADDE) ( PM )

•