20.5  Efek rumah kaca 

 

Apa yang disebut efek rumah kaca menggambarkan terperangkapnya panas dekat permukaan bumi oleh gas di atmosfer, terutama karbon dioksida. Itu atap kaca rumah kaca memancarkan sinar matahari yang terlihat dan menyerap sebagian radiasi infra merah (IR) yang keluar, dengan demikian menjebak panas. Karbon dioksida bertindak agak seperti atap kaca, kecuali bahwa kenaikan suhu di rumah kaca terutama disebabkan oleh sirkulasi udara yang terbatas di dalam. Gambar 20.11 menunjukkan siklus karbon di ekosistem global kita. Pengalihan karbon dioksida ke dan dari atmosfer merupakan bagian penting dari siklus karbon. Karbon dioksida dihasilkan ketika segala bentuk karbon atau senyawa yang mengandung karbon dibakar karena kelebihan oksigen. Banyak karbonat mengeluarkan CO2 saat dipanaskan, dan semua mengeluarkan CO2 saat diolah dengan asam:

 

Gambar 20.11 Siklus karbon.

 Gambar 20.12 Yang masuk radiasi dari matahari dan radiasi keluar dari Bumi permukaan. 

 Karbon dioksida juga merupakan produk sampingan dari fermentasi gula:

Karbohidrat dan molekul lain yang mengandung karbon kompleks dikonsumsi oleh hewan, yang bernafas dan melepaskan CO2 sebagai produk akhir metabolisme:

Seperti disebutkan sebelumnya, sumber utama CO2 lainnya adalah aktivitas vulkanik. Karbon dioksida dikeluarkan dari atmosfer oleh tumbuhan fotosintetik dan mikroorganisme tertentu:

Setelah tumbuhan dan hewan mati, karbon di jaringan mereka dioksidasi menjadi CO2 dan kembali lagike atmosfer. Selain itu, ada keseimbangan dinamis antara atmosfer CO2 dan karbonat di lautan dan danau. Energi radiasi matahari yang diterima oleh Bumi didistribusikan melalui pita dengan panjang gelombang antara 100 dan 5000 nm, tetapi sebagian besar terkonsentrasi di 400 hingga Rentang 700-nm, yang merupakan wilayah spektrum yang terlihat (Gambar 20.12). Semua molekul bergetar, bahkan pada suhu terendah. Energi yang terkait dengan getaran molekul dikuantisasi, seperti energi elektronik atom dan molekul. Untuk bergetar lebih energik, molekul harus menyerap foton a panjang gelombang tertentu di wilayah IR. Namun, pertama-tama momen dipolnya harus berubah selama getaran. [Ingatlah bahwa momen dipol sebuah molekul adalah produk muatan dan jarak antar muatan (lihat hal. 423).] Gambar 20.13

 

Gambar 20.13 Gerak getaran dari molekul diatomik. Bahan kimia ikatan bisa diregangkan dan dikompresi seperti pegas.

 

Gambar 20.14 Ketiganya berbeda mode getaran air molekul. Setiap mode getaran bisa dibayangkan dengan menggerakkan atom di sepanjang panah dan kemudian membalikkan arah mereka.

Gambar 20.15 Dua dari empat cara molekul karbon dioksida dapat bergetar. Getaran di (a) tidak mengakibatkan perubahan momen dipol, tetapi getaran di (b) membuat molekul IR aktif.

Setelah menerima foton di wilayah IR, molekul H2O atau CO2 dipromosikan ke tingkat energi getaran yang lebih tinggi:

(tanda bintang menunjukkan molekul yang tereksitasi secara getaran). Ini sangat bersemangat molekul segera kehilangan energi berlebih baik karena tabrakan dengan molekul lain atau oleh emisi spontan radiasi. Sebagian dari radiasi ini dipancarkan ke luar angkasa dan sebagian kembali ke permukaan bumi.

Gambar 20.16 Sumber emisi karbon dioksida di Amerika Serikat. Perhatikan bahwa tidak semua dari CO2 yang dipancarkan memasuki suasana. Beberapa sudah diambil naik oleh "penyerap" karbon dioksida, seperti lautan

 

Gambar 20.17 Variasi tahunan konsentrasi karbon dioksida di Mauna Loa, Hawaii. Tren umum denganjelas menunjukkan peningkatan karbon dioksida di atmosfer. Pada Mei 2013, konsentrasi rata-rata yang tercatat adalah 400 ppm.

Meskipun jumlah total uap air di atmosfer kita tidak berubah selama bertahun-tahun, konsentrasi CO2 terus meningkat sejak saat itu pergantian abad ke-20 sebagai akibat dari pembakaran bahan bakar fosil (minyak bumi, gas alam, dan batu bara). Di belahan bumi utara, osilasi musiman disebabkan oleh penghapusan karbon dioksida dengan fotosintesis selama musim tanam dan nya penumpukan selama musim gugur dan musim dingin. Jelas, trennya mengarah pada peningkatan dalam CO2.

 

Gambar 20.18 Perubahan suhu global dari tahun 1850 hingga 2008. (Sumber: NASA Goddard Institute for Studi Luar Angkasa) 

 

Gambar 20.19 Kontribusi pemanasan global oleh berbagai gas-gas rumah kaca. Itu konsentrasi CFC dan metana jauh lebih rendah dari bahwa karbon dioksida. Namun, karena dapat menyerap IR radiasi jauh lebih efektif daripada CO2, mereka membuat kontribusi yang cukup besar untuk efek pemanasan keseluruhan.

Diperkirakan oleh beberapa ahli meteorologi bahwa harus terjadi penumpukan gas rumah kaca terus pada kecepatannya saat ini, suhu rata-rata bumi akan meningkat sekitar 1 ° menjadi 3 ° C di abad ini. Meskipun kenaikan suhu beberapa derajat mungkin tampak tidak signifikan, sebenarnya cukup besar untuk mengganggu keseimbangan termal yang halus Bumi dan bisa menyebabkan gletser dan es mencair. Akibatnya, permukaan laut akan naik naik dan daerah pesisir akan banjir. Untuk memerangi efek rumah kaca, kita harus menurunkan emisi karbon dioksida. Ini dapat dilakukan dengan meningkatkan efisiensi energi pada mobil dan pemanas rumah tangga dan penerangan, dan dengan mengembangkan sumber energi bahan bakar nonfosil, seperti fotovoltaik sel. Energi nuklir adalah alternatif yang layak, tetapi penggunaannya sangat kontroversial karena kesulitan membuang limbah radioaktif dan fakta bahwa pembangkit listrik tenaga nuklir lebih rentan terhadap kecelakaan daripada pembangkit listrik konvensional (lihat Bab 19). Itu Usulan penghapusan CFC, gas rumah kaca yang paling kuat, akan membantu memperlambat menuruni tren pemanasan. Pemulihan gas metana yang dihasilkan di tempat pembuangan sampah dan Pengurangan kebocoran gas alam merupakan langkah lain yang dapat kita lakukan untuk mengendalikan emisi CO2. Terakhir, pelestarian hutan Amazon, hutan tropis di Asia Tenggara, dan hutan besar lainnya sangat penting untuk menjaga konsentrasi CO2 pada kondisi mapan di atmosfer. Mengubah hutan menjadi lahan pertanian untuk tanaman dan padang rumput untuk ternak dapat menyebabkan kerusakan yang tidak dapat diperbaiki pada ekosistem yang rapuh dan secara permanen mengubah pola iklim di Bumi.

20.6 Hujan asam 

 

Setiap tahun hujan asam menyebabkan kerusakan batu senilai ratusan juta dolar bangunan dan patung di seluruh dunia. Beberapa orang menggunakan istilah "kusta batu" ahli kimia lingkungan untuk menggambarkan korosi batu oleh hujan asam (Gambar 20.20). Hujan asam juga beracun bagi tumbuh-tumbuhan dan kehidupan akuatik.

 

Gambar 20.20 Pengaruh hujan asam pada patung marmer George Washington di Washington Square, New York City. Foto diambil 50 tahun terpisah (1944–1994).

 

Gambar 20.21 Rata-rata curah hujan pH di Amerika Serikat pada tahun 2009. Kebanyakan SO2 berasal dari negara bagian midwestern. Berlaku angin membawa tetesan asam terbentuk di Timur Laut. Nitrogen oksida juga berkontribusi untuk pembentukan hujan asam. 

Sejauh ini, nitrogen oksida dari emisi mobil diyakini bertanggung jawab atas keasaman tinggi air hujan. Oksida asam, seperti SO2, bereaksi dengan air menghasilkan asam yang sesuai. Ada beberapa sumber SO2 atmosfer. Alam itu sendiri menyumbang banyak SO2 dalam bentuk letusan gunung berapi. Juga, banyak logam ada dikombinasikan dengan belerang di alam. Mengekstrak logam sering kali memerlukan peleburan, atau pemanggangan, bijih — yaitu, memanaskan logam sulfida di udara untuk membentuk oksida logam dan SO2. Sebagai contoh,

 

Oksida logam dapat direduksi lebih mudah daripada sulfida (dengan logam yang lebih reaktif atau dalam beberapa kasus oleh karbon) ke logam bebas. Meskipun peleburan merupakan sumber utama SO2, pembakaran bahan bakar fosil masuk industri, pembangkit listrik, dan rumah menyumbang sebagian besar SO2 yang dipancarkan ke suasana.Di troposfer, SO2 hampir semuanya teroksidasi menjadi H2SO4 dalam bentuk aerosol, yang berakhir dengan presipitasi basah atau hujan asam. Mekanisme untuk file konversi SO2 menjadi H2SO4 cukup kompleks dan tidak sepenuhnya dipahami. Reaksinya diyakini diprakarsai oleh radikal hidroksil (OH): 

Radikal HOSO2 selanjutnya dioksidasi menjadi SO3:

Sulfur trioksida yang terbentuk kemudian akan bereaksi dengan cepat dengan air membentuk asam sulfat:

SO2 juga dapat dioksidasi menjadi SO3 dan kemudian diubah menjadi H2SO4 pada partikel dengan katalisis heterogen. Akhirnya, hujan asam tersebut dapat menimbulkan korosi pada batu kapur dan marmer (CaCO3). Reaksi tipikal adalah 

  

Sulfur dioksida juga dapat menyerang kalsium karbonat secara langsung: 

 

Gambar 20.22 Umum prosedur untuk melepaskan SO2 dari membakar bahan bakar fosil. Berbedak batu kapur terurai menjadi CaO, yang bereaksi dengan SO2 untuk membentuk CaSO3. SO2 sisanya adalah bereaksi dengan air suspensi CaO untuk membentuk CaSO3

 

Ada dua cara untuk meminimalkan efek pencemaran SO2. Yang paling langsung Pendekatannya adalah menghilangkan sulfur dari bahan bakar fosil sebelum pembakaran, tetapi ini secara teknologi sulit dilakukan. Cara yang lebih murah tetapi kurang efisien adalah dengan menghapus SO2 seperti itu terbentuk. Misalnya, dalam satu proses bubuk kapur diinjeksikan ke dalam boiler atau tungku pembangkit listrik bersama dengan batubara (Gambar 20.22). Pada suhu tinggi dekomposisi berikut terjadi:

 

Kapur bereaksi dengan SO2 membentuk kalsium sulfit dan beberapa kalsium sulfat: 

 

Untuk menghilangkan sisa SO2, suspensi encer kapur dimasukkan ke dalamnya ruang pemurnian sebelum gas keluar melalui cerobong asap. Kapur mentah juga ditambahkan ke danau dan tanah dalam proses yang disebut pengapuran untuk mengurangi keasamannya (Gambar 20.23).  

 

 

 

 Gambar 20.23 Penyebaran kalsium oksida (CaO) di atas tanah yang diasamkan. Proses ini disebut pengapuran.

 

Memasang pabrik asam sulfat di dekat lokasi pemurnian bijih logam juga efektif cara untuk memangkas emisi SO2 karena SO2 yang dihasilkan dengan cara memanggang logam sulfida dapat ditangkap untuk digunakan dalam sintesis asam sulfat. Ini adalah cara yang sangat masuk akal untuk berbelok
apa polutan dalam satu proses menjadi bahan awal untuk proses lain!

 

 

 

20.7 Asap Fotokimia

 

  

Kata "smog" diciptakan untuk menggambarkan kombinasi asap dan kabut itu menyelimuti London selama tahun 1950-an. Penyebab utama awan berbahaya ini adalah sulfur dioksida. Hari ini, bagaimanapun, kita lebih akrab dengan kabut fotokimia, yang dibentuk oleh reaksi knalpot mobil di hadapan sinar matahari. Knalpot mobil sebagian besar terdiri dari NO, CO, dan berbagai hidrokarbon yang tidak terbakar. Gas-gas ini disebut polutan primer karena mereka bergerak secara seri reaksi fotokimia yang menghasilkan polutan sekunder. Ini adalah yang kedua polutan — terutama NO2 dan O3 — yang bertanggung jawab atas penumpukan kabut asap. Oksida nitrat adalah produk reaksi antara nitrogen atmosfer dan oksigen pada suhu tinggi di dalam mesin mobil:

 

 

Setelah dilepaskan ke atmosfer, oksida nitrat dioksidasi menjadi nitrogen dioksida:

 

Sinar matahari menyebabkan dekomposisi fotokimia NO2 (pada panjang gelombang yang lebih pendek dari 400 nm) menjadi NO dan O:

 

Oksigen atom adalah spesies yang sangat reaktif yang dapat memulai sejumlah penting reaksi, salah satunya adalah pembentukan ozon: 

 

dimana M adalah beberapa zat inert seperti N2. Ozon menyerang tautan C “C di dalamnya karet:

 

dimana R mewakili kelompok atom C dan H. Di daerah yang dipenuhi kabut asap, reaksi ini bisa terjadi menyebabkan ban mobil retak. Reaksi serupa juga merusak jaringan paru-paru dan zat biologis lainnya. Ozon dapat dibentuk juga oleh serangkaian reaksi yang melibatkan sangat kompleks hidrokarbon yang tidak terbakar, nitrogen oksida, dan oksigen. Salah satu produknya reaksi adalah peroxyacetyl nitrate, PAN:

Gambar 20.24 Variasi khas dengan waktu dalam konsentrasi udara polutan pada hari yang berkabut.

 

Awalnya konsentrasi NO2 cukup rendah. Begitu radiasi matahari menembus atmosfer, lebih banyak NO2 yang terbentuk dari NO dan O2. Ketika konsentrasi hidrokarbon dan aldehida yang tidak terbakar meningkat di udara, konsentrasi NO2 dan O3 juga meningkat pesat. Jumlah sebenarnya, dari Tergantung lokasi, lalu lintas, dan kondisi cuaca, tetapi keberadaannya selalu disertai kabut asap (Gambar 20.25). Oksidasi hidrokarbon menghasilkan berbagai zat antara organik, seperti alkohol dan asam karboksilat, yang semuanya kurang mudah menguap dibandingkan hidrokarbon itu sendiri. Zat ini akhirnya mengembun menjadi tetesan kecil cairan. Penyebaran tetesan ini di udara, disebut aerosol, menyebarkan sinar matahari dan mengurangi jarak pandang. Interaksi ini juga membuat udara tampak kabur. Karena mekanisme pembentukan kabut fotokimia menjadi lebih dipahami, upaya besar telah dilakukan untuk mengurangi penumpukan polutan primer. Paling mobil sekarang dilengkapi dengan pengubah katalitik yang dirancang untuk mengoksidasi CO dan hidrokarbon yang tidak terbakar menjadi CO2 dan H2O dan untuk mereduksi NO dan NO2 menjadi N2 dan O2 (lihat Bagian 13.6). Dilengkapi dengan baik, mobil yang sedang berjalan bisa bersihkan udara yang mengalir di bawah kap dengan mengubah ozon dan karbon monoksida menjadi oksigen dan karbon dioksida: 

 

 

Gambar 20.25 Hari yang berkabut Beijing.

Di kota seperti Los Angeles, di mana jumlah mil yang ditempuh dalam satu hari hampir sama 300 juta, pendekatan ini secara signifikan akan meningkatkan kualitas udara dan mengurangi Peringatan “tingkat ozon tinggi” sering dikeluarkan untuk penduduknya. Bahkan, drive di jalan bebas hambatan akan membantu membersihkan udara!

 

 

 

20.8 Polusi Dalam Ruangan

 

  

Sulit untuk menghindari polusi udara di luar ruangan, tidak lebih mudah untuk menghindari polusi dalam ruangan. Kualitas udara di rumah dan di tempat kerja dipengaruhi oleh aktivitas manusia, bahan bangunan, dan faktor lain di lingkungan terdekat kita. Yang biasa polutan dalam ruangan adalah radon, karbon monoksida dan karbon dioksida, serta formaldehida. 

 

Risiko dari Radon 

 

Dalam kasus yang dipublikasikan di pertengahan 1980-an, seorang karyawan melapor untuk bekerja di Limerick Nuclear Power Plant di Pennsylvania menyalakan monitor radiasi pabrik. Banyak yang telah dikatakan dan ditulis tentang potensi bahaya radon sebagai polutan udara. Apa itu radon? Dari mana asalnya Dan bagaimana hal itu mempengaruhi kesehatan kita? Radon adalah anggota Grup 8A (gas mulia). Ini adalah produk perantara dari peluruhan radioaktif uranium-238. Semua isotop radon bersifat radioaktif, tapi radon-222 adalah yang paling berbahaya karena memiliki waktu paruh terpanjang — 3,8 hari. Radon,

 

 

Gambar 20.26 Peta emisi radon di Amerika Serikat yang diukur dalam pikokur per liter udara.  

 

yang menyumbang sedikit lebih dari setengah radioaktivitas latar di Bumi, sebagian besar dihasilkan dari mineral fosfat uranium (Gambar 20.26).

Gambar 20.27 Radon biasanya memasuki rumah melalui pondasi atau dinding basement.

 

Sejak tahun 1970-an, tingkat radon yang tinggi telah terdeteksi di rumah-rumah yang dibangun di atas reklamasi tanah di atas endapan tailing pabrik uranium. Radon tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa gas memasuki gedung melalui retakan kecil di lantai basement (Gambar 20.27). ini sedikit larut dalam air, sehingga dapat disebar pada media yang berbeda. Radon-222 adalah sebuah α-emitor. Ketika meluruh, menghasilkan radioaktif polonium-214 dan polonium-218, yang dapat membangun tingkat tinggi di ruang tertutup. Partikel radioaktif padat ini dapat menempel pada debu dan asap di udara, yang dihirup ke paru-paru dan mengendap di saluran pernapasan. Dalam jangka waktu yang lama, partikel α dipancarkan oleh polonium dan produk pembusukannya, yang juga radioaktif, dapat menyebabkan kanker paru-paru. 

 

 

  

Gambar 20.28 Detektor radon rumah: Track etch jangka panjang (kiri) dan tabung arang jangka pendek (kanan).

 

Apa yang dapat dilakukan untuk memerangi polusi radon di dalam ruangan? Langkah pertama adalah mengukur tingkat radon di ruang bawah tanah dengan kit uji yang andal. Tes jangka pendek menggunakan arang aktif (yaitu arang yang diberi perlakuan panas) untuk mengumpulkan produk peluruhan radon selama beberapa hari. Wadah tersebut dikirim ke laboratorium tempat teknisi mengukur radioaktivitasnya (sinar) dari produk peluruhan radon timbal-214 dan bismut-214. Alat uji jangka panjang menggunakan selaput polimer khusus di mana partikel α akan meninggalkan sebuah "jalur." Setelah beberapa bulan terpapar, film tersebut dietsa dengan natrium hidroksida solusi dan jumlah trek dihitung. Mengetahui panjang eksposur memungkinkan teknisi untuk menghitung konsentrasi radon. Jika tingkat radon terlalu tinggi,

  

maka rumah harus berventilasi teratur. Tindakan pencegahan ini sangat penting di rumah yang baru dibangun, yang terisolasi dengan baik. Cara yang lebih efektif untuk mencegah radon polusi adalah mengubah rute gas sebelum masuk ke rumah, misalnya dengan memasang asaluran ventilasi untuk mengalirkan udara dari bawah lantai basement ke luar. 

 

Saat ini terdapat banyak kontroversi mengenai efek kesehatan dari radon. Tampaknya ada efek sinergis antara radon dan merokok terhadap perkembangan kanker paru-paru. Produk Radondecay tidak hanya akan menempel pada timbunan tar tembakau di paru-paru, tetapi juga pada partikel padat dalam asap rokok, yang dapat dihirup oleh perokok dan bukan perokok. Studi yang lebih sistematis diperlukan untuk mengevaluasi dampak lingkungan dari radon. Di Sementara itu, Badan Perlindungan Lingkungan (EPA) telah merekomendasikan perbaikan tindakan di mana tingkat radioaktivitas karena radon melebihi 4 pico-curies (pCi) per liter udara. (Curie setara dengan 3,70 3 1010 disintegrasi inti radioaktif per kedua; picocurie adalah sepersejuta curie, atau 3,70 3 1022 disintegrasi per detik.)

  

Karbon Dioksida dan Karbon Monoksida  

 

Baik karbon dioksida (CO2) dan karbon monoksida (CO) adalah produk pembakaran. Dengan adanya suplai oksigen yang melimpah, CO2 terbentuk; dalam persediaan terbatas oksigen, baik CO dan CO2 akan terbentuk. Sumber gas dalam ruangan ini adalah gas tempat memasak, tungku kayu, pemanas ruangan, asap tembakau, pernapasan manusia, dan asap knalpot dari mobil (di garasi). Karbon dioksida bukanlah gas beracun, tapi memang demikian memiliki efek sesak napas (lihat Kimia Beraksi di hal. 531). Ventilasi yang memadai adalah solusi polusi CO2. Seperti CO2, CO adalah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau, tetapi berbeda dengan CO2 di dalamnya sangat beracun. Toksisitas CO terletak pada kemampuannya yang tidak biasa untuk mengikat dengan sangat kuat ke hemoglobin, pembawa oksigen dalam darah. Baik O2 dan CO mengikat ion Fe (II)

 

dalam hemoglobin, tetapi afinitas hemoglobin untuk CO sekitar 200 kali lebih besar dari bahwa untuk O2 (lihat Bab 25). Molekul hemoglobin dengan CO terikat erat (disebut karboksihemoglobin) tidak dapat membawa oksigen yang dibutuhkan untuk proses metabolisme. Kecil jumlah asupan CO dapat menyebabkan kantuk dan sakit kepala; kematian bisa terjadi jika sekitar setengah dari molekul hemoglobin dikomplekskan dengan CO. Pertolongan pertama yang terbaik respon terhadap keracunan CO adalah segera memindahkan korban ke suatu area dengan a suplai oksigen yang banyak atau untuk memberikan resusitasi mulut ke mulut. 

 

Formaldehida  

 

Formaldehida (CH2O) adalah cairan berbau tidak sedap yang digunakan sebagai pengawet untuk spesimen laboratorium. Secara industri, resin formaldehida digunakan sebagai agen pengikat dalam bahan konstruksi bangunan dan furnitur seperti kayu lapis dan papan partikel. Selain itu, busa isolasi urea-formaldehida digunakan untuk mengisi rongga dinding. Konsentrasi rendah formaldehida di udara dapat menyebabkan mengantuk, mual, sakit kepala, dan penyakit pernapasan lainnya. Tes laboratorium menunjukkan bahwa menghirup formaldehida konsentrasi tinggi dapat menyebabkan kanker pada hewan, dan sekarang juga diklasifikasikan sebagai karsinogen bagi manusia. Standar aman formaldehida di udara dalam ruangan telah disetel pada 0,1 ppm berdasarkan volume. Karena formaldehida adalah zat pereduksi, perangkat telah dibuat untuk menghilangkannya itu melalui reaksi redoks. Udara dalam ruangan disirkulasikan melalui pemurni udara yang mengandung oksidan seperti Al2O3 / KMnO4, yang mengubah formaldehida menjadi yang kurang berbahaya. dan asam format kurang mudah menguap (HCOOH). Ventilasi yang tepat adalah cara terbaik untuk melepaskannya formaldehida. Namun, perawatan harus dilakukan untuk tidak menghilangkan udara dari ruangan juga cepat tanpa pengisian ulang, karena tekanan yang berkurang akan menyebabkan resin formaldehida lebih cepat membusuk, menghasilkan pelepasan lebih banyak formaldehida.