9789144123899

Introduktion till miljökemi

Kopieringsförbud

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access.

Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad.

Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare.

Studentlitteratur har både digital och traditionell bok utgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 38341

ISBN 978-91-44-12389-9

Upplaga 2:1

© Författaren och Studentlitteratur 2016, 2023 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund

Omslagslayout: Jens Martin/Signalera

Omslagsbild: danymages/shutterstock.com

Vinjettbilder: Inledning: Africa Studio

kapitel 1: Merkushev Vasiliy

kapitel 2: Vadim Sadovski

kapitel 3: solarseven

kapitel 4: pedrosala

kapitel 5: Galyna Andrushko

kapitel 6: Richard Whitcombe

kapitel 7: Triff

kapitel 8: Anna Vaczi

kapitel 9: Goodluz.

Samtliga vinjettbilder från shutterstock.com.

inneh Å ll

Förord 7

Inledning 9

Repetition av grundläggande kemi

Kemiska byggstenar 11

Reaktionsformel, molmassa och mol 14

Att ange koncentration av ämnen 16

Allmänna gaslagen 17

Kemisk jämvikt 19

Syra–basjämvikter 21

System 24

Strategi för systemteori 25

Mass- och energibalans 26

Uppehållstid 27

Funktionella grupper 29

1 Miljökemi som vetenskap 31

Hållbar utveckling 35

2 Planeten jorden 37

Atmosfären 39

Hydrosfären 42

Geosfären 44

Läs vidare 45

3 Ozonskiktet 47

Normal bildning och nedbrytning av ozon 51

Katalys 53

Ozonskiktets tjocklek 56

Ozonhål 58

Koppling till växthuseffekten 62

Mätmetoder för ozon 62

Klorfluorkarboner och ODP 63

Industrins motkampanj 65

Långsam återhämtning av ozonskiktet 66

Effekter av ett uttunnat ozonskikt 68

Läs vidare 69

Bilaga till kapitel 3 71

4 Luftföroreningar 75

Fotokemisk smog – marknära ozon 77

Naturligt tillstånd 79

Påverkat tillstånd 80

Variation över dygnet 82

Borttagning av NO x ur atmosfären 86

Halter av marknära ozon i Sverige 86

Effekter på människor 89

Effekter på växter 89

Läs vidare 90

5 Försurning av mark och vatten 91

Gasers löslighet i vatten 95

Försurning av mark eller av vatten 100

Försurande ämnen 101

Kalkning 107

Mätning av försurning 108

Effekter av försurning 108

Läs vidare 110

6 Övergödning 111

Övergödande ämnen 114

Källor till gödande ämnen 114

Kväveföreningar 116

Fosforföreningar 120

Effekter av övergödning på skogsekosystem 124

Effekter av övergödning på sjöar och hav 125

Rena kväve eller fosfor? 128

Läs vidare 129

7 Global uppvärmning 131

Växthuseffekt 133

Vad är en växthusgas? 135

Partiklars verkan på strålningsbalansen 139

Moln påverkar klimatet 140

Sammanlagd effekt 141

Tidsaspekter 141

De viktigaste växthusgaserna 145

Ökad medeltemperatur och större temperatursvängningar 148

Framtida forskning 148

Läs vidare 149

8 Miljögifter 151

Exponeringsvägar 154

Organiska miljögifter 155

Miljögiftsdebatt över tid 158

Viktiga organiska miljögifter 161

Toxisk ekvivalens (TEQ) 163

Mätning av halogenerade organiska ämnen 168

Tungmetaller 168

Modeller för spridning av ämnen från mark till vatten 173

Läs vidare 176

9 Undersökningar och experiment 177

Försöksplanering 179

Mätvärdesbehandling 182

Övningsuppgifter

Övningsuppgifter räkning 193

Ledning räkning 203

Facit räkning 209

Övningsuppgifter flervalsfrågor 213

Facit flervalsfrågor 221

Sakregister 223

1 MILJÖKEMI SOM VETENSKAP

Som vetenskap är miljökemi ett tämligen sent etablerat ämne. Det började växa fram i samband med rapporterna om miljöförstöring under 1970-talet. Miljökemi räknas traditionellt inte som en gren inom kemin, utan betraktas som en tvärvetenskaplig disciplin där olika vetenskapliga grenar, huvudsakligen kemi och biologi, men även fysik och geologi, tilllämpas på miljön. I takt med att miljöproblemen uppmärksammats alltmer har universitet och högskolor världen över tagit in kurser i miljökemi i sina utbildningar och många har startat avdelningar och institutioner för miljökemi.

Inom miljökemin studeras de kemiska processer som äger rum i naturen. Speciellt studeras naturliga kemiska processer och de förändringar som sker till följd av mänskliga aktiviteter. En grundläggande fråga inom ämnet är vad som händer med naturliga processer när de störs – antingen genom att ett miljöfrämmande ämne dyker upp, eller genom förhöjd koncentration av ett naturligt ämne. Exempel på miljöfrämmande ämnen är bekämpningsmedel och freoner. Exempel på förhöjda koncentrationer av naturliga ämnen är koldioxid som ger klimatförändringar, nitrat som ger övergödning och svaveldioxid som ger försurning. Inom miljökemin studeras också vilka effekter miljöfrämmande ämnen och störda kretslopp kan ha på växter, djur och människor.

Miljökemin ger fördjupade kunskaper om oorganiska och organiska föreningars förekomst, ursprung, transport, omvandling och slutdestination i vår miljö. Sådana kunskaper är nödvändiga för att kunna bedöma miljörisker utifrån ett kemiskt perspektiv.

När effekterna av ett ämne undersöks ställs ofta ett antal systematiska frågor:

1 Ursprungssituation: förekommer ämnet naturligt och i så fall var, i vilken form och i vilka halter?

2 Kemiska processer : reagerar ämnet, och vad är i så fall dess halveringstid och uppehållstid i atmosfären, hydrosfären och biosfären? Vilka ämnen bildas?

3 Störningar och giftighet: är ämnet eller någon av dess reaktionsprodukter skadliga för mikroorganismer, växter, djur eller människor?

Miljökemi ger en ökad förståelse för kemiska reaktioner och processer som sker i vår omgivning, och för de kemiska aspekterna av miljöproblem som människan skapat. Sådan kunskap är en viktig förutsättning för att kunna förstå och förutse mänskliga aktiviteters effekter på vår miljö, och finna lösningar på problemen.

En bild av kopplingen mellan verksamheter och miljöförstöring ges i figur 1.1. Verksamheterna har utsläpp, som renas i olika hög grad beroende på vad myndigheterna föreskriver, vilket innebär en ekonomisk kostnad, men en del av utsläppen når ut i miljön och sprids och reagerar och ger miljöeffekter, vilket leder till nya mål för miljöpolitiken.

Många ämnen som släpps ut i miljön går in i olika kemiska reaktioner och processer, omvandlas till en mängd olika ämnen och bidrar till flera olika miljöproblem. Insikten om att det behövs ett helhetsperspektiv kommer till uttryck exempelvis i Konventionen om gräns-

Figur 1.1 Mänskliga aktiviteter ger upphov till utsläpp, som delvis renas. De ämnen som når atmosfären sprids och omvandlas och kan ge miljöproblem. NH3 = ammoniak, SO 2 = svaveldioxid, NO x = kväveoxider, VOC = flyktiga kolväten (volatile organic compounds).

överskridande luftföroreningar (Long-range transboundary air pollution, LRTAP), där det så kallade Göteborgsprotokollet (se faktarutan nedan) tog sig an svaveloxider, kväveoxider, flyktiga organiska ämnen och ammoniak, i syfte att bekämpa såväl försurning som övergödning och marknära ozon.

Sammanfattning av Göteborgsprotokollet

I Göteborgsprotokollet fastställdes maximala tillåtna utsläppsnivåer (utsläppstak) för varje nationell part för följande fyra föroreningar: svavel, kväveoxider, flyktiga organiska föreningar och ammoniak. Dessa tak skulle nås senast år 2010 och innebar att Europas utsläpp skulle minskas med minst 63 % för svavel, 41 % för kväveoxider, med 40 % för flyktiga organiska föreningar och 17 % för ammoniak jämfört med år 1990.

Detta väntades minska antalet förlorade levnadsår som en följd av de kroniska effekterna av exponering av luftföroreningar med 2,3 miljoner under perioden 1990–2010.

Källa: Förslag till Europeiska rådets beslut, C5-0094/02

Hållbar utveckling

Hållbar utveckling är ett begrepp som blev välkänt i samband med FN-rapporten Vår gemensamma framtid (1987), kallad Brundtlandrapporten. Den definierar hållbar utveckling som en utveckling som ”tillgodoser dagens behov utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillgodose sina behov”. Detta innebär att jordens resurser ska förvaltas på ett sådant sätt att alla människor ska ha en rimlig levnadsstandard – både nu levande människor och kommande generationer.

Ekologisk hållbarhet handlar dels om att långsiktigt bevara jordens, vattnens och ekosystemens produktionsförmåga, och dels om att minska påverkan på naturen och människans hälsa till acceptabla nivåer. För att göra detta är det nödvändigt att minska belastningen på jordens resurser och att lösa miljöproblemen.

Miljökemi är en disciplin som bidrar till att hitta lösningar som främjar en hållbar utveckling.

2 PLANETEN JORDEN

Jorden är den enda planet vi känner till som har frambringat liv. Livsformerna har sedan påverkat planeten, bland annat genom att skapa en syrerik atmosfär. En grundförståelse för hur jorden är uppbyggd behövs för att förstå de dynamiska processer som påverkar miljön och därmed förutsättningarna för fortsatt flercelligt liv på vår planet.

Atmosfären

Atmosfärens sammansättning är i stort sett lika överallt, bortsett från den växlande mängden vattenånga och föroreningar. Huvudbeståndsdelarna är kväve, syre och ädelgaser. Koncentrationerna av dessa gaser förändras mycket långsamt (se tabell 2.1) och är relativt konstant upp till ca 80 km höjd.

Andra gaser har kort livslängd i atmosfären och hinner inte bli jämnt fördelade över jordklotet. Viktiga sådana gaser är vattenånga, koldioxid, ozon och kväveoxider. Koncentrationen av vattenånga är vanligen 0,5–4 %.

Tabell 2.1 Atmosfärens sammansättning, räknat på torr luft (det vill säga luft utan vattenånga). Källa: NASA.

* Ofta sägs det att koldioxiden har en livslängd på några hundra år i atmosfären, men det är en över förenkling.

Efter hundra år finns cirka 40 procent av utsläppt koldioxid kvar, medan resten har löst sig i oceanerna eller tagits upp av växande skog. Efter tusen år är ca 20 procent kvar. Denna del, den så kallade svansen, försvinner ytterst långsamt via olika geologiska processer, men finns kvar i minst 10 000 år.

Damm, rök och saltpartiklar är icke-gaser som också förekommer i atmosfären. Halten varierar mellan olika miljöer. Vanligen är halten av partiklar endast några mikrogram per kubikmeter luft, men i sandstormar och i rökplymer från skorstenar kan halten stiga till några milligram. Olika områden ger upphov till olika typiska tillsatser av ämnen och partiklar till luften:

• hav ger salt-aerosoler med natrium, kalcium, magnesium, klor och sulfat

• land ger sandpartiklar och växtpollen

• städer ger sot, kolväten och kväveoxider

• skogsområden ger växtproducerade kolväten som terpener och isopren

• Nordpolen har ”arktisk dimma” (arctic haze) innehållande sulfat-aerosoler, sot och metaller från avlägset belägen kol förbränning.

lu F ten S M ol M a SS a Man kan beräkna en genomsnittlig molmassa för torr luft. Det går bra eftersom gaser som har stabil koncentration utgör 99,16 % av atmosfären, och eftersom de är väl omblandade. De olika gaserna ordnar sig inte i skikt eftersom molekylernas rörelseenergi övervinner gravitationen.

där M är molmassa i gram per mol och f är andelen av gasen i atmosfären

Denna molmassa gäller i området upp till ca 80 km över havet. På högre höjder ändras atmosfärens sammansättning, i och med att solstrålningen slår sönder kvävgas och syrgas till atomer.

Jordens atmosfär från jordytan och uppåt delas vanligen upp i fyra olika delar, baserat på temperaturförändringar i atmosfären (figur 2.1).

Atmosfärens olika lager. Det är viktigt att påpeka att temperaturen här är termodynamisk temperatur, inte upplevd temperatur. Termo dynamisk temperatur är ett mått på mole kylernas inre rörelseenergi (translation, rotation, vibration). Upplevd temperatur baseras på värme transporten bort från kroppen, inte på temperaturen i sig. Det blir stor skillnad mellan termodynamisk och upplevd temperatur i mycket utspädda gaser, där det inte finns så många molekyler som kan krocka och ge värmetransport – en hög temperatur betyder då inte att det känns varmt.

tro P o SFÄ r (0 till 10–15 KM)

I troposfären faller temperaturen med ökande höjd. Troposfären har en intensiv omblandning. Den innehåller 85 % av hela atmosfärens massa.

I troposfären absorberas inte så mycket solstrålning men land och vatten avger värmestrålning (infraröd, IR) som i sin tur absorberas av främst koldioxid och vattenånga. Temperaturen minskar med höjden eftersom mängden IR-strålning avtar och koncentrationen av värmeabsorberande gaser minskar högre upp. I troposfären finns i stort sett alla moln och här sker det vi kallar väder. Övergången mellan troposfären och stratosfären kallas tropopausen. Den ligger vid ekvatorn på 16–17 km höjd, och vid polerna på 8–9 km.

S trato SFÄ r (10–15 till 50 KM)

Över troposfären finns stratosfären. Där ökar temperaturen med höjden. Temperatur-profilen beror på att ozonlagret i mitten av stratosfären absorberar ultraviolett ljus i våglängdsområdet 220–320 nm och den övre delen

Figur 2.1

av stratosfären absorberar mer energirik kosmisk strålning. Absorptionen ger värmeutveckling. Mest absorption sker högst upp i stratosfären, längre ner har ju dessa våglängder redan absorberats. Att temperaturen ökar med ökande höjd innebär att det är liten omblandning av luften i höjdled.

M e S o SFÄ r (50 till 85 KM)

I mesosfären minskar temperaturen med ökande höjd. Det beror på att mängden ozon avtar med höjden. Närmast stratosfären finns en liten mängd ozon som absorberar strålning. Övre delen av mesosfären är den kallaste delen av atmosfären, speciellt kring den pol som har sommar eftersom det är det naturligt kallaste området på hela jorden.

ter M o SFÄ r /J ono SFÄ r (>85 KM)

I termosfären ökar temperaturen med höjden på grund av solens joniserande strålning. Trycket är mycket lågt. Koncentrationen av molekyler i luften är så låg att det nästan är vakuum. De molekyler som finns där utsätts för den mest energiintensiva solstrålningen. En stor del av syrgasen och kvävgasen slås sönder, varför luftens molmassa på denna höjd är mindre än 28,96 g/mol. Molekylerna här kan också få elektroner bortslagna och blir då joner. Termosfären kallas därför ibland för jonosfären.

Hydrosfären

Hydrosfären är ett samlingsnamn på vattnet i hav, sjöar, floder, mark, is, biosfären och atmosfären. Vatten som finns bundet i mineral i jordens inre räknas inte till hydrosfären. Vattnets kretslopp (det hydrologiska kretsloppet) kan ses i figur 2.2.

S alt Vatten

Jordens hav täcker drygt 70 % av jordens yta och innehåller 97 % av allt vatten i hydrosfären. Havsvatten innehåller så gott som alla stabila ämnen, men oftast i mycket låga koncentrationer. Havsvatten har en salthalt på mellan 3,1 % och 3,8 %, i genomsnitt 3,5 % (viktandel). Det innebär att varje kilo havsvatten innehåller ca 35 gram lösta salter. De ämnen som det finns mest av visas i tabell 2.2. Koncentrationerna är någorlunda konstanta över tid och rum, men det finns lokala variationer, speciellt vid kusterna. Uppehållstiden för ämnena i tabell 2.2 är 10 000 till 100 000 000 år. Förutom salter finns det även lösta gaser, främst syre och koldioxid, i vattnet.

Kondensation

Nederbörd

Vattenförråd i atmosfären

Sublimation

Evapotranspiration

Avdunstning

Avdunstning

In ltration

Grundvattenavrinning

Havet kan ses som flera lager. Överst finns ett tunt ytskikt där ytaktiva ämnen samlas. Under detta finns ett lager som är väl omblandat. Densiteten hos ythavsvatten varierar från ca 1 020 till 1 029 kg/m 3, beroende på temperatur och salthalt, med ett genomsnitt på 1 025 kg/m 3. Därunder finns djupvatten som har dålig omblandning med ytvattnet. Här kan havsvattnet nå en densitet på 1 050 kg/m 3 .

S öt Vatten

Tre fjärdedelar av allt sötvatten finns bundet som is i glaciärerna. Det mesta av det övriga vattnet finns i marken. Om vattnet finns i mark som emellanåt torkar, kallas det markvatten. Det är främst markvatten som tas upp av växter. Under markvattnet finns grundvatten, som befinner sig i mark som alltid är vattenfylld. Det markvatten som inte används av

Vattenförråd

Flod

Vattenförråd i is och snö

Källa Sötvattenförråd

Smältvattenavrinning till vattendrag

Avrinning från markytan

i havet

Grundvattenförråd

Figur 2.2 Vattnets kretslopp (det hydrologiska kretsloppet).

Tabell 2.2 Havsvattens sammansättning vid en salthalt på 3,5 %. Källa: Maretin, D. (1968). Marine chemistry, vol. 1, Analytical methods. Marcel Dekker, New York.

finns främst i form av sulfatjoner.

främst som olika karbonater.

växterna kan sjunka och bilda grundvatten, rinna ut i floder och sjöar, eller avdunsta. Grundvatten utgör 20 % av allt sötvatten. Bara 0,5 % av allt sötvatten finns lättillgängligt i sjöar och floder. Floder transporterar inte bara sediment, utan också organiskt material och joner till sjöar och hav. Atmosfärens innehåll av vatten beror inte bara på tillgången på vatten, det vill säga luftens närhet till vattenmassor, utan framför allt på lufttemperaturen. Varm luft kan innehålla mer vattenånga än i kall luft. Den maximala mängden vatten som luften kan hålla vid en viss temperatur kallas luftens mättnadsfuktighet och brukar anges i g/m³.

Geosfären

Geosfären omfattar litosfären och pedosfären.

Litosfären består av jordskorpans bergarter och övre delen av manteln, totalt ca 100 kilometer ner mot jordens inre. Miljökemiskt sett blir litosfären intressant när ämnen i den når utanför litosfären, exempelvis vid vulkanutbrott. Jordskorpans tjocklek varierar mellan 10 till 100 km. I Sverige är skorpan vanligen mellan 40 till 50 km. Jordskorpan består huvudsakligen av silikatmineral. Dess kemiska sammansättning visas i tabell 2.3. Manteln består huvudsakligen av järn- och magnesiumrika

silikatmineral. På grund av trycket från överliggande berg har dessa mineral en tät struktur och hög densitet.

Pedosfären är det yttersta skiktet av geosfären och består av markens jordlager samt berg som utsätts för vittring. Jord täcker ca 80 % av jordens markyta. Pedosfären är en knutpunkt för biologiska processer och spelar stor roll i kretslopp för kol, kväve, fosfor, svavel etc.

Jord består dels av oorganiskt material och dels av organiskt material. Oorganiskt material kommer från vittring av berggrund. Organiskt material är främst ofullständigt nedbrutna växtrester.

Omvandlingen av berg till jord sker mest genom kemisk vittring av silikatmineral. Processen underlättas av att det finns växter som avsöndrar syror, och av försurande nedfall från atmosfären. I öknar sker vittring främst som mekanisk vittring genom termisk expansion och vinderosion.

Det organiska materialet består mest av humussyror. De kan binda till sig positiva joner och spelar därför en viktig roll i markens förmåga att behålla näringsämnen och motstå försurning. Mängden organiskt material i jorden beror främst på klimatet och grundvattenförhållandena i marken. I ett torrt och varmt klimat bryts det organiska materialet ner snabbt, men i kallt och fuktigt klimat sker nedbrytningen betydligt långsammare, så att mängden organiskt material gradvis ökar.

Läs vidare

Marshak, S. (2018). Earth – portrait of a planet, 6. uppl. Northon & Co, New York.

Tabell 2.3 Sammansättning av jordskorpan. Källa: Lutgens, F.K., Tarbuck, E.J. (2000). Essentials of geology, 7. uppl. Prentice Hall, N.J.

Karin Granström är professor i ämnet Miljö- och energisystem och verksam vid Karlstads universitet. Hon har i över tjugo års tid forskat om hur restströmmar från skogsindustrin kan bli nya material, energibärare och produkter på ett miljövänligt och energieffektivt vis.

Introduktion till miljökemi

Inom ämnet miljökemi studeras kemiska reaktioner och processer i vår omgivning, framför allt kemin hos de miljöproblem som människan har skapat. Att förstå varför vissa ämnen är skadliga för människor och ekosystem är en förutsättning för att kunna undvika sådana problem i framtiden.

Denna bok ger en grundläggande introduktion till miljökemi. Boken inleds med en repetition av gymnasiekemin. I varsitt kapitel behandlas sedan följande miljöproblem: ozonnedbrytning, luftföroreningar, försurning, övergödning, global uppvärmning och miljögifter. Övningsuppgifter med facit finns samlade i slutet av boken. En formelsamling med centrala formler och viktiga data som behövs till övningsuppgifterna kompletterar materialet.

Introduktion till miljökemi vänder sig främst till studenter på högskolor och universitet. Den skapades för ingenjörer som läser kurser i miljökemi och miljöteknik och kan även passa studenter inom miljövetenskap.

Andra upplagan