Çevre Kimyası: Hava, Su ve Toprak Kirliliği

Çevre kimyasının tanımı ve kapsamı

Çevre kimyası; hava, su, toprak ve canlılar arasındaki kimyasal ilişkileri inceleyen kimya alanıdır. Bir maddenin bileşimini, özelliklerini ve başka maddelerle etkileşimini anlamaya dayanır. Bu nedenle çevre kimyası yalnızca kirli maddeleri listelemez; maddelerin çevreye nasıl yayıldığını, hangi tepkimelere girdiğini ve canlı sistemlerini nasıl etkilediğini de araştırır. Çevre bilimi, jeoloji, biyoloji ve atmosfer bilimiyle birlikte çalışması bu alanın kapsamını genişletir.

Bir kirletici çevreye bırakıldığında sabit kalmayabilir. Havada oksitlenebilir, yağmur suyunda çözünüp toprağa taşınabilir, suda başka iyonlarla etkileşebilir veya canlıların bünyesinde birikebilir. Örneğin kükürt içeren yakıtların yanmasıyla oluşan kükürt oksitleri atmosfere karışır; bu gazlar suyla tepkimeye girerek asidik maddelerin oluşmasına katkıda bulunabilir. Böylece başlangıçta havaya bırakılan bir madde, yağış yoluyla toprağı ve tatlı su kaynaklarını da etkileyebilir. Çevre kimyası bu tür kaynak-yayılma-tepki-etki zincirini açıklamaya çalışır.

Çevre kirleticileri, kaynakları ve etkileri

Çevre kirleticileri, çevrenin doğal dengesini bozabilen gaz, sıvı, katı veya canlı kökenli maddelerdir. Kirleticiler doğadan kaynaklanabilir; volkanik etkinlikler ve doğal yangınlar buna örnek verilebilir. İnsan faaliyetleri de önemli bir kaynaktır: yakıtların yakılması, sanayi işlemleri, metal cevherlerinin işlenmesi, tarımsal uygulamalar, evsel atıklar ve atık sular çevreye farklı maddeler bırakabilir. Bir maddenin kirletici olup olmadığı yalnızca adına değil, bulunduğu ortama ve miktarına da bağlıdır.

Kirlilik, kirleticinin çevreye girmesiyle başlar; ancak etkisi maddenin kimyasal özelliklerine göre değişir. Suda çözünen maddeler akışla taşınabilir, gazlar atmosferde yayılabilir, bazı metaller ise toprak parçacıklarına bağlanarak uzun süre kalabilir. Kirletici bir madde canlıların solunumunu, beslenmesini veya su dengesini bozabilir; ekosistemdeki türlerin yaşam alanlarını da değiştirebilir. Örneğin yakıt yanması sonucunda oluşan gazlar havaya karışırken, metal işleme süreçlerinden çıkan metal iyonları suya veya toprağa ulaşabilir. Bazı metal iyonları biyolojik ve kimyasal tepkimeleri hızlandırarak istenmeyen değişimlere yol açabilir; metal iyonlarını bağlayan maddelerin su yumuşatmada ve bazı zehirlenmelerin tedavisinde kullanılması, bu iyonların kimyasal olarak kontrol edilebildiğini gösterir.

Kirleticilerin etkisi tek bir ortamla sınırlı kalmayabilir. Toprağa bırakılan bir madde yağışla yer altı suyuna taşınabilir; suya ulaşan bir kirletici de sucul canlıları etkileyebilir. Bu yüzden kaynak, taşınma yolu ve sonuç birlikte değerlendirilmelidir.

Hava kirliliğinin temel kimyası

Hava kirliliği, atmosferin bileşiminin canlılara veya çevreye zarar verecek şekilde değişmesidir. Başlıca kirleticiler arasında kükürt oksitleri, azot oksitleri, karbon monoksit, fazla miktardaki karbon dioksit, uçucu maddeler ve havada asılı katı-sıvı parçacıklar bulunur. Yakıtların yanması hava kirliliğinin önemli beşerî kaynaklarındandır. İçten yanmalı motorlarda yüksek sıcaklık, havadaki azot ve oksijenin tepkimeye girerek azot oksitleri oluşturmasına yol açabilir. Kükürt içeren yakıtların yakılması ve metal sülfür cevherlerinin işlenmesi de kükürt oksitleri oluşturabilir.

Gaz kirleticiler atmosferde yalnızca dağılmaz; oksitlenebilir veya su buharında çözünerek yeni maddeler oluşturabilir. Bu dönüşümler havanın asitliğini artırabilir ve parçacık oluşumuna katkı sağlayabilir. Partiküller solunum yoluyla canlılara ulaşabilir; gazlar ise solunum sistemini doğrudan etkileyebilir veya yağışla yeryüzüne taşınabilir. Karbon dioksit canlıların metabolizması, yangınlar ve yakıtların yanması sonucunda oluşabilen bir gazdır; atmosferdeki miktarının artması ısı dengesini etkileyen süreçlerle ilişkilidir.

Asit yağmurları, pH değeri yaklaşık 5,6'nın altında olan yağışlardır. Karbondioksit, kükürt oksitleri ve azot oksitleri yağmur suyunda çözünüp karbonik, sülfürik ve nitrik asitlerin oluşumuna katkıda bulunabilir; bunun sonucunda ormanlar, tatlı su gölleri, toprak ve mermer-kireç taşı yapılar zarar görebilir. Sera etkisi ve küresel ısınma ise atmosferdeki bazı gazların ısının tutulmasına katkı vermesiyle ilgilidir; insan faaliyetleriyle oluşan gaz artışları bu ısı dengesini değiştirebilir. Çevre laboratuvarında numune alma ve analiz yöntemleri, havadaki kirleticilerin incelenmesinde kullanılan ayrı bir çalışma alanıdır.

Su kirliliğinin temel kimyası

Su kirliliği, suda çözünmüş, askıda veya canlı kökenli maddelerin suyun kullanımını ve su ekosistemlerinin dengesini bozacak düzeye ulaşmasıdır. Sanayi atıkları, evsel atık sular, tarımsal gübre ve ilaç kalıntıları, petrol kaynaklı maddeler ve çeşitli katı atıklar suya kirletici taşıyabilir. Bazı kirleticiler suda çözünerek kolayca yayılırken bazıları dibe çöker veya su canlılarının vücuduna geçebilir. Suyun sıcaklığı, asitliği ve çözünmüş maddeleri, kirleticilerin davranışını etkiler.

Su kirliliğinde kimyasal ve biyolojik süreçler birlikte işler. Organik atıklarla beslenen mikroorganizmalar çoğaldığında sudaki çözünmüş oksijeni tüketebilir. Oksijen azalması balıklar ve diğer su canlıları için yaşam koşullarını zorlaştırır. Gübrelerden gelen azot ve fosfor bileşikleri de sucul ortamlarda aşırı bitki ve alg gelişimini destekleyebilir; bu canlılar öldüğünde parçalanmaları oksijen tüketimini artırabilir. Asidik yağışların göllere ulaşması ise suyun pH değerini değiştirerek yalnızca aside dayanıklı türlerin yaşayabildiği koşullar oluşturabilir.

Suda bulunan bazı metal iyonları canlılar için istenmeyen olabilir. Bu iyonların başka maddelerle bağlanması, hareketliliğinin veya tepkimeye girme eğiliminin azaltılmasına yardımcı olabilir. Çevre kirleticilerinin nicel tayini ve cihazlı analiz konusu, sudaki maddelerin miktarını belirlemeye odaklanan ayrı bir makalenin konusudur.

Toprak kirliliğinin temel kimyası

Toprak kirliliği, toprağın fiziksel ve kimyasal özelliklerini bozacak kirleticilerin toprakta birikmesi veya toprağa taşınmasıdır. Sanayi atıkları, maden ve metal işleme kalıntıları, tarımda kullanılan kimyasallar, evsel atıklar ve atmosferden çöken maddeler başlıca kaynaklar arasındadır. Kirleticinin topraktaki davranışı; suda çözünürlüğüne, toprak taneciklerine bağlanmasına ve kimyasal olarak ne kadar kararlı olduğuna bağlıdır.

Toprakta bulunan bir kirletici yağmur veya sulama suyuyla çözünüp hareket edebilir ya da toprak taneciklerine tutunarak uzun süre kalabilir. Hareketli kirleticiler yer altı sularına ulaşabilir. Bitkiler kökleriyle su ve çözünmüş iyonları alırken bazı kirleticileri de bünyelerine taşıyabilir. Böylece kirleticiler otçul hayvanlara, onlarla beslenen canlılara ve besin zincirinin diğer basamaklarına ulaşabilir. Metal iyonlarının canlılar ve çevredeki tepkimeler üzerindeki etkisi, toprakta bulunan metal kaynaklı kirliliğin neden dikkatle değerlendirilmesi gerektiğini gösterir.

Örneğin metal işleme atığının toprağa bırakılması, ilk olarak toprağın kimyasal yapısını etkileyebilir; yağışla çözünür hâle gelen bileşenler daha sonra yer altı suyuna taşınabilir veya bitkiler tarafından alınabilir. Bu nedenle toprak kirliliğinin etkisi yalnızca atığın bırakıldığı alanla sınırlı kalmayabilir.

Çevre kirliliğini azaltma ve önleme yolları

Kirliliği azaltmanın en etkili yolu, kirletici oluştuğu anda onu sınırlamak ve atığın çevreye ulaşmasını önlemektir. Daha az atık oluşturan üretim süreçleri, yakıtların daha verimli kullanılması, sızıntıların önlenmesi ve zararlı maddelerin daha güvenli seçeneklerle değiştirilmesi bu yaklaşımın parçalarıdır. Bir kimyasalın çevrede nasıl taşındığı ve hangi tepkimelere girdiği bilinirse, kaynağında kontrol için daha uygun yöntem seçilebilir.

Arıtma işlemleri, kirleticileri çevreye bırakılmadan önce ayırmayı veya kimyasal olarak daha az zararlı hâle getirmeyi amaçlar. Atık su arıtımında katı maddeler sudan ayrılabilir, biyolojik işlemlerle organik maddeler parçalanabilir ve bazı çözünmüş iyonlar bağlanarak sudan uzaklaştırılabilir. Metal iyonlarını bağlayan kompleks oluşturucu maddeler, iyonların davranışını kontrol etmek için kullanılabilir; ancak kullanılan kimyasalın kendisinin de çevreye zarar vermemesi gerekir. Hava kirliliğinde ise yanma kaynaklı gazların salımını azaltmak, yakıt seçimini iyileştirmek ve parçacıkların atmosfere karışmasını önlemek önemlidir.

Atıkların geri dönüşümü ve sürdürülebilir kimya, kaynakları daha verimli kullanmayı ve üretim sırasında daha az atık ile daha az tehlikeli madde oluşturmayı hedefleyen yaklaşımlardır. Geri dönüşümün işe yarayabilmesi için kâğıt, cam, metal ve uygun plastiklerin ayrı toplanması; dönüştürülemeyen veya tehlikeli atıkların ise uygun biçimde yönetilmesi gerekir. Doğal madde döngüleri ve enerji dönüşümleri, kirleticilerin çevredeki hareketini anlamaya yardımcı olan başka bir konudur. Çevre kirleticilerinin nicel tayini ve cihazlı analiz ise uygulanan önlemlerin ne kadar başarılı olduğunu değerlendirmeye yarar.