Состав кислотных дождей: Состав и виды кислотных дождей

Содержание

Кислотные дожди: причины и последствия

Кислотный дождь — это осадки, содержащие с кислые компоненты, такие как серная или азотная кислота, которые выпадают на Землю из атмосферы во влажной или сухой форме. К ним могут относиться дождь, снег, туман, град или даже пыль, которые являются кислотными.

Термин «кислотный дождь» был придуман в 1852 году шотландским химиком Робертом Ангусом Смитом, согласно Королевскому химическому обществу, которое называет его «отцом кислотного дождя». Смит выбрал этот термин, изучая химический состав дождевой воды вблизи промышленных городов Англии и Шотландии.

Хотя антропогенные загрязнители в настоящее время являются причиной большинства кислотных осадков, природные явления также могут быть их источником. Например, вулканы могут вызывать кислотные дожди, выбрасывая в воздух загрязняющие вещества.

Обеспокоены воздействием вашей компании на окружающую среду? Разработка разрешения на выбросы загрязняющих веществ позволит избежать загрязнения окружающей среды.

Что вызывает кислотный дождь?

Кислотные дожди возникают, когда диоксид серы (SO₂) и оксиды азота (NO_X) выбрасываются в атмосферу и переносятся ветром и воздушными потоками. SO₂ и NO_X реагируют с водой, кислородом и другими химическими веществами, образуя серную и азотную кислоты. Затем они смешиваются с водой и другими материалами, прежде чем упасть на землю.

Хотя небольшая часть SO₂ и NO_X, вызывающих кислотные дожди, поступает из природных источников, таких как вулканы, большая часть их происходит в результате сжигания ископаемого топлива. Основными источниками SO₂ и NO_X в атмосфере являются:

Сжигание ископаемого топлива для производства электричества. Две трети SO₂ и одна четверть NO_X в атмосфере поступают от электрогенераторов.
Транспортные средства и оборудование, работающее на нефтепродуктах.
Обрабатывающая, нефтеперерабатывающая и другие отрасли промышленности.

Ветер может переносить диоксид серы и азота на большие расстояния и через границы, что делает кислотные дожди проблемой для всех, а не только для тех, кто живет вблизи этих источников.

Формы кислотных осадков

Жидкие осадки — это то, что мы чаще всего понимаем как кислотный дождь. Образующиеся в атмосфере серная и азотная кислоты выпадают на землю, смешанную с дождем, снегом, туманом или градом.

Кислотные частицы и газы также могут осаждаться из атмосферы при отсутствии влаги в виде сухого осаждения. Кислотные частицы и газы могут быстро осаждаться на поверхности (водоемы, растительность, здания) или могут реагировать, образуя более крупные частицы, которые могут нанести вред здоровью человека. Когда накопленные кислоты смываются с поверхности под следующим дождем, эта кислая вода протекает над землей и через нее, и может нанести вред растениям и дикой природе, например, насекомым и рыбам.

Количество кислоты в атмосфере, которая оседает на землю в результате сухого выпадения, зависит от количества осадков, выпадающих в том или ином районе. Например, в засушливых районах соотношение сухого и влажного выпадения осадков выше, чем в районах, где каждый год выпадает несколько сантиметров осадков.

Измерение кислотного дождя

Кислотность и щелочность атмосферных осадков измеряются по шкале pH, для которой 7,0 является нейтральной. Чем ниже pH вещества (меньше 7), тем оно более кислотное; чем выше pH вещества (больше 7), тем оно более щелочное. Обычный дождь имеет рН около 5,6; он слегка кислый, так как углекислый газ (CO₂) растворяется в нем, образуя слабую углекислую кислоту. Кислотный дождь обычно имеет рН между 4,2 и 4,4.

Когда кислотное осаждение смывается в озера и ручьи, оно может привести к тому, что некоторые из них превратятся в кислотные.

Статьи по теме

Выбросы парниковых газов в транспортном секторе

Функции и значение озонового слоя

Передвижные источники выбросов в воздух

причины образования проблемы в 2023 году, какие газы их вызывают, последствия, пути решения экологической проблемы

Одна из глобальных экологических проблем, характерная для многих стран — это кислотные дожди. Само название говорит нам о имеющейся в них кислотности, которая разрушает окружающую среду. Причем появиться кислотные осадки могут как в результате деятельности человека, так и по естественным природным причинам. Каким же образом они формируются, какие влекут за собой последствия — разбираемся вместе с экспертами.

Что такое кислотный дождь

Любая жидкость имеет определенный уровень кислотности — pH. К примеру, в питьевой воде водородный показатель pH должен быть 6,5-8,5 мг/л, а в воде плавательного бассейна — 6,0-9,0 мг/л. Когда значение выходит за пределы этих цифр, у человека могут появиться проблемы со здоровьем.

Обычные атмосферные осадки имеют показатель 5,6, но когда они смешиваются с кислотообразующими веществами, то это значение уменьшается и появляется кислотный дождь (1). На первый взгляд не совсем понятно, чем такие осадки отличаются от обычных и могут ли нанести вред человеку и окружающей среде. Чтобы выяснить природу их появления и значимость в мире, заглянем в научные факты.

Полезная информация о кислотных дождях

Имеют сложный химический состав	Двуокись серы и оксид азота попадают в атмосферу и разносятся ветрами. В дальнейшем происходит реакция этих двух веществ с молекулами воды, кислородом и другими химическими веществами. Полученная смесь образует серную и азотную кислоту и вместе с большим количеством воды выпадает в виде дождя, снега, града на землю (2).
Две формы кислотных дождей	1. Влажные отложения — это и есть осадки, которые мы видим в разное время года. 2. Сухие отложения не имеют влаги и оседают в виде кислых частиц и газов на любых поверхностях: водоемах, зданиях, растениях. Когда падает дождь, то он соединяется с этими частицами, и по земле течет уже кислая вода, разрушающая все живое (2).
Глобальные негативные изменения из-за ядовитых осадков происходят в водной среде	Кислотный дождь попадает в водоемы, это приводит к поражению организмов водных обитателей и к их гибели. Страдают и сухопутные животные, и птицы, которые пьют такую воду. Происходит закисление почвы, и из нее выделяются вредные вещества, которые впитывают растения. Человек, который пьет такую воду или употребляет в пищу зараженную рыбу или растение, может получить серьезные заболевания (2).
Но есть и позитивная сторона	Выбросы метана — одна из причин к глобального потепления. Если причина их появления природная, то на помощь придут кислотные осадки. В них содержится сера, способная уменьшать естественное производство метана. Она ограничивает активность микробов, которые вырабатывают этот парниковый газ (2).

Причины образования кислотных дождей в России и мире

Ежегодно во всем мире происходят выбросы вредных отходов в атмосферу. Они, в свою очередь, запускают механизм развития кислотных осадков. Откуда берется эта ядовитая смесь в воздухе — рассмотрим ниже.

1. Автомобильные газы

Люди стремятся к постоянному повышению качества жизни, и личный транспорт занимает в их списке потребностей не последнее место. Поэтому количество автомобилей на дорогах становится больше, а значит, увеличивается и объем выхлопов в городах. Автомобильные газы смешиваются с парами в воздухе, образуя кислотный дождь. Выхлопные газы — глобальна проблема, например, выбросы от транспортных средств — одна из основных причин загрязнения воздуха в Индии (3).

2. Выбросы в результате сельскохозяйственной деятельности

Чрезмерное использование удобрений и пестицидов приводит к образованию в атмосфере аммиака и химически активных соединений азота, а впоследствии — к возникновению кислотных осадков (3).

Регенеративное сельское хозяйство — тренд XXI века

Производственная цепочка компании Danone начинается с фермы. Уже на этом этапе важно соблюдать все принципы экологичной хозяйственной деятельности. Поэтому в компании следуют концепции регенеративного сельского хозяйства, которая подразумевает бережное отношение к природе.

Забота о здоровье коров, разумное использование навоза и рациональная замена химических удобрений натуральными, постепенный отказ от пестицидов и гербицидов, уменьшение воздействия на почву — эти и другие элементы входят в концепцию регенеративного сельского хозяйства. Такой комплекс мер не только позволяет сокращать негативное влияние на окружающую среду, но также способствует повышению производительности животных и качества сырья.

Узнать больше

3. Сжигание органического топлива

Крупные промышленные предприятия сжигают уголь и мазут, в результате чего формируются токсичные соединения, выпадающие в виде кислотных осадков. Такая деятельность характерна для металлургических, плавильных заводов, нефтеперерабатывающих комбинатов, ТЭЦ, а также для организаций, где производят цемент, химические продукты, фармацевтические препараты (4).

Потребление ископаемого топлива в большом количестве отрицательно повлияло на атмосферу США и Великобритании (5, 6).

Промышленные печи и котлы предприятий Канады также сбрасывают вредные пары и отравляют расположенные рядом города. Сложный период наблюдался в Норвегии до 1970 года из-за выбросов двуокиси серы и оксида азота — из-за этой деятельности пришли кислотные дожди и нанесли серьезный ущерб экосистеме страны (7).

Однако сильнее всего пострадали природа и жители Китая. Уголь здесь — основной источник энергии, необходимый для жизни и развития страны. Но вместе с тем он загрязняет воздух (8).

Не обошли стороной кислотный дожди и Россию: при сжигании угля, горючего сланца и мазута пострадали многие регионы. Один из самых серьезных источников загрязнения в РФ — теплоэлектростанции. Так как трубы ТЭЦ имеют высоту 400 метров, то выбросы рассеиваются на огромные территории (9).

4. Природные явления

Кислотный дождь может образоваться не только из-за воздействия человека на окружающую среду, но и по естественным причинам — вследствие процессов, происходящих в природе. К примеру, такие осадки встречаются после вулканической активности, во время которой выделяется большое количество серы. В каплях или снежинках также возможно наличие серной кислоты и озона, образуемых во время грозы (4).

Возможные последствия проблемы кислотных дождей в России и мире

Кислотные дожди не проходят бесследно ни для живых организмов, ни для объектов, созданных человеком. Поскольку такие осадки состоят из ядовитых соединений, то их обилие наносит урон, иногда не подлежащий восстановлению.

Фото: pixabay.com

1. Вред для здоровья человека

Из-за выбросов страдает нервная система, снижаются умственные способности. Человек реагирует на происходящие в жизни события медленно и заторможено. Вредные вещества накапливаются в организме и в дальнейшем могут привести к образованию злокачественных образований. Снижается иммунитет, в результате мы чаще простываем, обостряются хронические заболевания сердца. У некоторых людей развивается бронхит и астма (10).

2. Отрицательное влияние на природу

В первую очередь, ухудшается состояние рек и озер. Сокращается количество рыб в водоемах, уменьшается их разновидность. В некоторых кислых озерах рыба полностью исчезает. Животные, которые чувствительны к условиям окружающей среды, могут не выжить при употреблении загрязненной воды, или после пребывания в ней. Кислотные дожди вымывают из почвы алюминий, минералы, а значит деревьям для роста и развития негде брать питательные вещества, и они погибают (10).

3. Порча неживых объектов

Частицы кислотного дождя попадают на поверхность статуй, памятников, зданий, и других искусственных сооружений и повреждают ее. Они способны разъедать металл, ухудшать внешний вид краски и камня (10).

Испорченная кислотным дождем скульптура. Фото: shutterstock.com

Кислотные осадки вызывают коррозию металла, что сказывается на железнодорожной отрасли и авиационной промышленности, так как для восстановления транспорта приходится тратить значительные средства (7).

Пути решения проблемы кислотных дождей в России и мире

Во многих странах кислотные дожди считают серьезной угрозой для человечества, поэтому принимаются серьезные меры для того, чтобы уменьшить вероятность зарождения ядовитых осадков.

На мировом уровне

Отравляющие пары разносятся ветрами на несколько тысяч километров и могут пересекать границы стран. В связи с этим в 1979 году была подписана Женевская конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (11). Страны Европейского континента договорились вместе бороться с загрязнением воздуха и использовать эффективные способы сокращения выбросов в атмосферу:

ограничить выбросы оксида азота и летучих органических соединений,
сократить выбросы серы, кадмия, свинца и ртути,
постепенно отказаться от этилированного бензина,
сократить выбросы диоксинов, фуранов, полициклических ароматических углеводородов и гексахлорбензола,
установить при сжигании медицинских и бытовых отходов предельные значения,
встречаться раз в год и обсуждать достижения и планы на будущее (11).

Фото: Ivo Lukacovic, unsplash.com

Канада и США решили трансграничную проблему, подписав в 1991 году Канадско-американское соглашение о качестве воздуха. Оба государства договорились снижать количество выбросов и совместно участвовать в научных и технических разработках, направленных на улучшение экологической ситуации (12).

Почти 100 городов со всей планеты объединились для битвы с климатическим кризисом. Это движение зарегистрировано декларацией объединения C40 и предлагает следующие методы для решения проблемы загрязнения атмосферного воздуха:

сократить вредные выбросы вдвое,
внедрять инновации, позволяющие уменьшить агрессивное воздействие на природу и человека,
помогать частному бизнесу решать проблемы загрязнения атмосферы,
стремиться к высоким положительным результатам и вдохновлять на это другие города и страны (13).

Для борьбы с загрязнением окружающей среды в 2019 году была введена важная дата: 7 сентября — Международный день чистого воздуха для голубого неба (14).

Всемирная организация здравоохранения также на страже экологического порядка. В 2021 году ВОЗ озвучила новые глобальные рекомендации по качеству воздуха: в них перечислено допустимое количество вредных веществ в атмосфере (15).

На государственном уровне

Страны стремятся решать проблему загрязнения воздуха не только на мировом уровне, но и на своей территории.

В США в 1970 году был издан и в 1990 году окончательно отредактирован «Закон о чистом воздухе». С помощью него установили ограничения на загрязнение атмосферы. В результате за период с 1990 года по 2017 год количество выбросов диоксида серы удалось сократить на 88%, а диоксида азота — на 50% (16).

С 2000 года Китай ввел штрафы за загрязнение воздуха выхлопами. С 2007 года контроль за количеством выбросов двуокиси серы помог сократить их на 75% (17).

В России борьба с кислотными осадками началась в 1990 году. В стране ужесточили природоохранное законодательство, сформировали нормы выбросов вредных паров и повысили штрафы за неисполнение правил. Эти меры не смогли полностью решить проблему, поэтому позже провели ряд дополнительных мероприятий:

установили фильтры, циклоны и катализаторы на выхлопных и дымовых трубах,
перешли на двухстадийное сжигание топлива,
стали использовать в зоне горения воду или водяного пара,
запустили химические способы очистки уходящих газов (18).

Фото: Freddie Marriage, unsplash.com

В России реализуется федеральный проект «Чистый воздух» по снижению выбросов в атмосферу. В 12 городах участниках будут решаться такие задачи:

модернизация оборудования на промышленных предприятиях,
уменьшение объемов выхлопов от транспорта,
перевод жилых домов с угольного и дровяного отопления на электрическое и газовое,
замена общественного транспорта более экологичными моделями (19).

Германия одним из первых государств сообщила об отказе от угля для производства электроэнергии. Руководствуясь «Законом о возобновляемых источниках энергии» от 2000 года, в этой стране дополнительно используют альтернативные источники энергии и к 2030 году планируют вырабатывать за счет них 80% электричества. Среди основных способов — ветровая и солнечная энергетика (20).

В Колумбии город Богота выступает лидером по снижению загрязнения воздуха. Здесь уже электрифицируют сеть общественного транспорта и планируют также поступить с системой метро. Мэр города отмечает важность замены автомобиля велосипедом (21).

Государства решают проблему кислотных дождей не только с помощью уменьшения объемов выбросов в атмосферу. Они проводят реабилитацию в местах, пострадавших от последствий кислотных дождей.

Норвегия и Швеция использовали для восстановления озер и рек порошкообразный известняк. Эти страны добавляли в водоемы известняковую муку, в результате чего состояние воды становилось нейтральным. В Великобритании известкование в 2003 году позволило не просто очистить реку, но и вернуть лосося в родные места. В США рекультивацию земель производили, используя кальциевые гранулы. Их разбрасывали по водоразделу вертолетом в течение нескольких дней. После обработки деревья возобновили свои силы и стали лучше переносить природные катаклизмы (1).

На уровне производств и бизнеса

Отдельные компании и корпорации не желают оставаться в стороне и предпринимают шаги к исцелению атмосферы.

Danone: в балансе с природой

За счет повышения эффективности собственных производственных процессов и на стороне партнеров Danone многократно усиливает вклад в борьбу с изменением климата.

В компании постепенно переходят на возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, биогаз), внедряют более экономичное оборудование, в приоритете — максимальное сокращение отходов, переработка и использование вторсырья.

Фото: Andreas Gücklhorn, unsplash.com

Программа DanPrint позволяет контролировать совокупные выбросы парниковых газов во всей цепочке производства — от этапа заготовки сырья до стадии утилизации отходов. С помощью корпоративного инструмента Milk tool компания может оценивать действия поставщиков по снижению воздействия на природу.

Все это дает ощутимый результат. Потребление воды на заводах Danone сократилось на треть, а выбросы углекислого газа — на 7,3%, при этом на 8% увеличилась энергоэффективность предприятий. Ежегодно более половины отходов компании, в т. ч. косвенных, — возвращаются в экономический цикл. Благодаря постоянной работе с 2015 по 2021 год интенсивность углеродного следа Danone снизилась на 26%.

Узнать больше

Можно помогать природе не только на масштабном уровне. Есть методы, которые по силам любой даже маленькой организации.

Разрешить сотрудникам работать удаленно, чтобы сократить количество автомобилей на дорогах.
Поощрять подчиненных, если они используют безопасные для окружающей среды виды транспорта: велосипед, самокат, ходьба.
Установить воздушные фильтры в офисах.
Правильно утилизировать мусор и хранить продукты питания.
Выделять сотрудникам время на участие в волонтерских экологических программах по борьбе с загрязнением воздуха (22).

На бытовом уровне

Человек — часть большой системы: мира, государства, организации, семьи. Если каждый из нас будет стремиться к заботе об окружающей среде, то совместными усилиями мы избавимся от кислотных дождей и принесем пользу всему живому на Земле. Существует несколько способов, как люди могут улучшить качество воздуха.

Фото: CDC, unsplash.com

Поддерживать чистый воздух в собственном доме и следить за исправной работой вентиляции.
Использовать бытовые очистители воздуха в квартире.
Выбирать альтернативные способы передвижения, например, когда это возможно, заменить транспорт на велосипед.
Покупать для уборки дома безопасные натуральные чистящие средства, которые не выделяют в атмосферу токсичные вещества.
Высаживать растения — они снижают уровень загрязняющих веществ, во дворах и рядом с дорогами.
Выбирать электричество, а не газ. Например, лучше использовать электрическую газонокосилку, так как газовая или бензиновая выделяют оксид азота и углекислый газ.
Отапливать помещение с помощью электрических источников, а не дровяного камина. При сжигании древесины выделяется множество загрязняющих веществ, в том числе оксид азота.

Объединяться в сообщества и вместе делать окружающий мир чище.

Отзывы экспертов о проблеме кислотных дождей в 2023 году

Наталья Марьенко, эколог-аудитор, управляющая компании «ЭкоТренд» в Санкт-Петербурге:

— Бороться непосредственно с кислотными осадками довольно трудно. Куда важнее обращать внимание на причины их образования и снижать количество выбросов от основных источников, которые являются причиной возникновения кислотных дождей. Чаще всего речь идет о крупных предприятиях, которые занимаются, например, обработкой нефтепродуктов, сжиганием угля или, например, работают в сфере металлургии. Спрос на продукцию, которую поставляют такие производства, растет, а значит, расчет и количество выбросов в атмосферу, которые впоследствии превращаются в кислотные осадки. Однако вместе с тем появляются и новые технологии, которые либо позволяют снизить сами выбросы, либо эффективно улавливать основные загрязняющие вещества. Поэтому спрогнозировать развитие этой проблемы в будущем довольно сложно.

Лес после кислотного дождя. Фото: wikipedia.org

Вадим Петров, статс-секретарь Экологической палаты России, Председатель Общественного совета при Федеральной службе по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) в Москве:

— Деятельность человека — причина большинства выбросов диоксида серы. Антропогенных выбросов в воздух попадает в виде 60-65% производных серы, 37-50% азотсодержащих соединений и 100% летучих органических соединений. Главные источники:

энергетические предприятия, выхлопные газы транспортных средств — образуют половину выбросов оксида азота;
интенсивное животноводство — производится аммиак из разложения органического вещества;

использование аэрозолей;
загрязнение атмосферы фреонами, бытовыми и промышленными растворителями;
бензозаправки.

Загрязнения переносятся на большие расстояния от места их возникновения. При контакте с атмосферой происходит окисление, из-за чего образуются серная и азотная кислоты. Они растворяются в каплях воды в облаках и выпадают на поверхность земли в виде кислотных дождей, снега или тумана.

Химия кислотных дождей

Цель обучения

Понять химический состав кислотных дождей.

Кислотно-щелочные реакции могут оказывать сильное воздействие на окружающую среду. Например, резкое увеличение кислотности дождя и снега за последние 150 лет приводит к растворению мраморных и известняковых поверхностей, ускорению коррозии металлических предметов и снижению рН природных вод. Эта экологическая проблема называется кислотными дождями. Осадки значительно более кислые из-за деятельности человека. и имеет серьезные последствия для всех живых организмов. Для понимания кислотных дождей требуется понимание кислотно-щелочных реакций в водном растворе.

Термин кислотный дождь на самом деле несколько вводит в заблуждение, потому что даже чистая дождевая вода, собираемая в районах, удаленных от цивилизации, имеет слабокислую реакцию (рН ≈ 5,6) из-за растворенного углекислого газа, который реагирует с водой с образованием углекислоты, слабой кислоты:

Уравнение 4.44

CO ₂ (г) + H ₂ O (ж) ⇌ H ₂ CO ₃ (водн.) ⇌ H ⁺ (водн.) + HCO ₃ − ^{− ^{− ^{− ^{− ⁻}}}}

Английскому химику Роберту Ангусу Смиту обычно приписывают создание фразы кислотный дождь в 1872 году для описания повышенной кислотности дождя в британских промышленных центрах (таких как Манчестер), что, по-видимому, было вызвано безудержными эксцессами ранней промышленной революции, хотя связь еще не была понята. В то время не было хорошего способа измерить концентрацию ионов водорода, поэтому трудно узнать фактический pH дождя, наблюдаемого Смитом. Типичные значения pH для дождя в континентальной части Соединенных Штатов в настоящее время колеблются от 4 до 4,5, а для таких областей, как Лос-Анджелес, сообщается о таких низких значениях, как 2,0. Вспомним из рис. 4.15 «График зависимости pH от [H», что дождь с pH 2 сравним по кислотности с лимонным соком, и даже «обычный» дождь теперь такой же кислотный, как томатный сок или черный кофе.

В чем причина повышенной кислотности во время дождя и снега? Химический анализ показывает присутствие больших количеств сульфатных (SO ₄ ²⁻) и нитратных (NO ₃ ⁻) ионов, и широкий спектр данных указывает на то, что значительная часть этих соединений происходит из азота. и оксиды серы, образующиеся при сжигании ископаемого топлива. При высоких температурах как в двигателях внутреннего сгорания, так и при разрядах молнии молекулярный азот и молекулярный кислород вступают в реакцию с образованием оксида азота:

Уравнение 4. 45

N ₂ (г) + O ₂ (г) → 2NO(г)

Оксид азота затем быстро реагирует с избытком кислорода с образованием диоксида азота, соединения, ответственного за коричневый цвет смога:

Уравнение 4.46

2NO(г) + O ₂ (г) → 2NO ₂ (г)

При растворении диоксида азота в воде образуется смесь азотистой и азотной кислот в соотношении 1:1:

Уравнение 4.47

2NO ₂ (г) + H ₂ O(ж) → HNO ₂ (водн.) + HNO ₃ (водн.)

Поскольку молекулярный кислород в конечном итоге окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты, общая реакция будет

Уравнение 4.48

2N ₂ (г) + 5O ₂ (г) + 2H ₂ O(ж) → 4HNO ₃ (водн. )

Большое количество диоксида серы всегда выбрасывалось в атмосферу естественными источниками, такими как извержения вулканов, лесные пожары и микробное разложение органических материалов, но на протяжении большей части зарегистрированной истории Земли естественный круговорот серы из атмосферы в океаны а камни сдерживали кислотность дождя и снега. К сожалению, сжигание ископаемого топлива, кажется, склонило чашу весов. Многие угли содержат до 5-6% пирита (FeS ₂ ) по массе, а жидкое топливо обычно содержит не менее 0,5% серы по массе. С середины 19-го века эти виды топлива сжигались в огромных масштабах для удовлетворения энергетических потребностей нашего современного индустриального общества, ежегодно выбрасывая в атмосферу десятки миллионов тонн дополнительных SO ₂. Кроме того, при обжиге сульфидных руд для получения таких металлов, как цинк и медь, образуется большое количество SO ₂ в результате таких реакций, как

Уравнение 4. 49

2ZnS(т) + 3O ₂ (г) → 2ZnO(т) + 2SO ₂ (г)

Независимо от источника SO ₂ растворяется в дождевой воде с образованием сернистой кислоты (уравнение 4.50), которая в конечном итоге окисляется кислородом до серной кислоты (уравнение 4.51):

Уравнение 4.50

SO ₂ (г) + H ₂ O(ж) → H ₂ SO ₃ (водн.)

Уравнение 4.51

2H ₂ SO ₃ (водн.) + O ₂ (г) → 2H ₂ SO ₄ (водн.)

Опасения по поводу вредного воздействия кислотных дождей привели к сильному давлению на промышленность с целью свести к минимуму выбросы SO ₂ и NO. Например, электростанции, работающие на угле, теперь используют «скрубберы» SO ₂, которые улавливают SO ₂ в результате его реакции с известью (CaO) с образованием дигидрата сульфита кальция (CaSO ₃ · 2H ₂ O; рис. 4.17 «Схема системы мокрого скруббера»).

Рисунок 4.17 Схематическая диаграмма системы мокрой скрубберной очистки

На угольных электростанциях SO ₂ может быть удален («скруббер») из выхлопных газов путем его реакции с известью (CaO) и распылением воды с образованием кальция дигидрат сульфита (CaSO ₃ ·2H ₂ O). Удаление SO ₂ из газов предотвращает его превращение в SO ₃ и последующую реакцию с дождевой водой (кислотные дожди). В настоящее время широко используются скрубберные системы, чтобы свести к минимуму воздействие крупномасштабного сжигания ископаемого топлива на окружающую среду.

Вред, наносимый кислотными дождями зданиям и скульптурам из известняка и мрамора, обусловлен классической кислотно-щелочной реакцией. Мрамор и известняк состоят из карбоната кальция (CaCO ₃ ), соли, полученной из слабой кислоты H ₂ CO ₃ . Как мы видели в разделе 4.6 «Кислотно-основные реакции», реакция сильной кислоты с солью слабой кислоты идет до конца. Таким образом, мы можем записать реакцию известняка или мрамора с разбавленной серной кислотой следующим образом:

Уравнение 4.52

CaCO ₃ (т) + H ₂ SO ₄ (водн.) → CaSO ₄ (т) + H ₂ O(л) + CO ₂ (г)

Поскольку CaSO ₄ мало растворим в воде, конечным результатом этой реакции является растворение мрамора или известняка. Мемориал Линкольна в Вашингтоне, округ Колумбия, который был построен в 1922 году, уже имеет значительные повреждения от кислотных дождей, а многие старые объекты демонстрируют еще большие повреждения (рис. 4.18 «Повреждения кислотными дождями статуи Джорджа Вашингтона»). Металлические предметы также могут быть повреждены кислотными дождями в результате окислительно-восстановительных реакций, которые обсуждаются в разделе 4.8 «Окислительно-восстановительные реакции в растворе».

Рисунок 4.18 Повреждение статуи Джорджа Вашингтона кислотным дождем

И мрамор, и известняк состоят из CaCO ₃ , который вступает в кислотно-щелочную реакцию с кислотным дождем с образованием CaSO ₄ . Поскольку CaSO ₄ частично растворим в воде, это может привести к значительному повреждению структуры.

Биологическое воздействие кислотных дождей более сложное. Как показано на рис. 4.15 «График зависимости pH от [H», биологические жидкости, такие как кровь, имеют pH 7–8. Такие организмы, как рыбы, могут поддерживать свой внутренний pH в воде с pH в диапазоне 6,5–8,5. Однако, если внешний рН слишком низкий, многие водные организмы больше не могут поддерживать свой внутренний рН, поэтому они умирают. pH 4 или ниже губителен практически для всех рыб, большинства беспозвоночных животных и многих микроорганизмов. В результате кислотных дождей pH некоторых озер в Европе и США упал ниже 4. Недавние исследования показывают, что до 6% озер в горах Адирондак в северной части штата Нью-Йорк и 4% озер в Швеции и Норвегия практически мертвы и не содержат рыбы. Ни в том, ни в другом месте нет больших концентраций промышленности, но Нью-Йорк находится с подветренной стороны промышленного Среднего Запада, а Скандинавия — с подветренной стороны от наиболее промышленно развитых регионов Западной Европы. Оба региона, по-видимому, несут основную тяжесть загрязнения, производимого их соседями с наветренной стороны. Один из возможных способов противостоять воздействию кислотных дождей в изолированных озерах — это добавление большого количества тонкоизмельченного известняка, который нейтрализует кислоту посредством реакции, показанной в уравнении 4.52 (см. раздел 4.1 «Водные растворы»1, задача 15).

Второй основной способ воздействия кислотных дождей на биологические повреждения менее прямой. Деревья и многие другие растения чувствительны к присутствию алюминия и других металлов в грунтовых водах. В нормальных условиях гидроксид алюминия [Al(OH) ₃ ], присутствующий в некоторых почвах, нерастворим. Однако при более низких значениях pH Al(OH) ₃ растворяется по следующей реакции:

Уравнение 4.53

Al(OH) ₃ (т) + 3H ⁺ (водн.) → Al ³⁺ (водн.) + 3H ₂ O(ж)

В результате повышается уровень ионов Al ³⁺ в подземных водах. Поскольку ион Al ³⁺ токсичен для растений, высокие концентрации могут повлиять на рост растений. Кислотные дожди также могут настолько ослабить листья и корни растений, что они не смогут противостоять другим стрессам. Сочетание этих двух эффектов может причинить значительный ущерб существующим лесам, таким как Шварцвальд в Германии и леса на северо-востоке США, в Канаде и других странах (рис. 4.19).«Ущерб, нанесенный кислотными дождями лесу в Чехии»).

Рисунок 4.19 Повреждение леса кислотными дождями в Чешской Республике

Деревья и многие другие растения чувствительны к алюминию и другим металлам в грунтовых водах. Кислотные дожди увеличивают концентрацию Al ³⁺ в грунтовых водах, тем самым отрицательно влияя на рост растений. Серьезно повреждены большие участки укоренившихся лесов.

Резюме

Кислотный дождь — это дождь, pH которого ниже 5,6 (обычно наблюдаемое значение) из-за присутствия растворенного диоксида углерода. Кислотные дожди вызываются оксидами азота и диоксидом серы, образующимися как в результате естественных процессов, так и в результате сжигания ископаемого топлива. В конце концов, эти оксиды реагируют с кислородом и водой с образованием азотной и серной кислот.

Key Takeaway

Разрушительное воздействие кислотных дождей привело к сильному давлению на промышленность, чтобы минимизировать выбросы вредных реагентов.

Концептуальные проблемы

Почему мраморные столешницы не рекомендуется использовать на кухнях? Мрамор состоит в основном из CaCO ₃ .
Объясните, почему обессеривание ископаемого топлива является областью интенсивных исследований.
Какова роль NO _x в образовании кислотных дождей?

Факты и информация о кислотных дождях

Справочник

Ископаемое топливо, которое люди сжигают для получения энергии, может вернуться, чтобы преследовать нас в виде кислотных дождей.

Что такое кислотный дождь?

Кислотный дождь – это любая форма осадков, содержащих большое количество азотной и серной кислот. Это также может происходить в виде снега, тумана и крошечных кусочков сухого материала, которые оседают на Землю. Обычный дождь слегка кислый, с pH 5,6, в то время как кислотный дождь обычно имеет pH от 4,2 до 4,4.

Причины кислотных дождей

Гниющая растительность и извергающиеся вулканы выделяют некоторые химические вещества, которые могут вызывать кислотные дожди, но большая часть кислотных дождей является результатом деятельности человека. Крупнейшими источниками являются угольные электростанции, фабрики и автомобили.

Когда люди сжигают ископаемое топливо, в атмосферу выбрасываются диоксид серы (SO ₂ ) и оксиды азота (NO _x ). Эти загрязнители воздуха реагируют с водой, кислородом и другими веществами с образованием переносимой по воздуху серной и азотной кислоты. Ветры могут распространять эти кислотные соединения по атмосфере на сотни миль. Когда кислотные дожди достигают Земли, они стекают по поверхности со стоковыми водами, попадают в водные системы и оседают в почве.

Виртуальное кладбище ели обыкновенной в Польше покрыто шрамами от кислотных дождей. Кислотные дожди, вызванные тем, что капли дождя поглощают загрязнения воздуха, такие как оксиды серы и азота, ослабляют деревья, растворяя питательные вещества в почве до того, как растения смогут их использовать.

Фотография Дэвида Вудфолла/Getty Images

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Последствия кислотных дождей
Двуокись серы и оксиды азота не являются основными парниковыми газами, которые способствуют глобальному потеплению, одному из основных последствий изменения климата; на самом деле диоксид серы оказывает охлаждающее действие на атмосферу. Но оксиды азота способствуют образованию приземного озона, основного загрязнителя, который может быть вредным для людей. Оба газа вызывают проблемы с окружающей средой и здоровьем, потому что они могут легко распространяться через загрязнение воздуха и кислотные дожди.
Кислотные дожди имеют множество экологических последствий, особенно для озер, ручьев, болот и других водных сред. Кислотные дожди делают такие воды более кислыми, что приводит к большему поглощению алюминия из почвы, который переносится в озера и ручьи. Эта комбинация делает воду токсичной для раков, моллюсков, рыб и других водных животных. (Узнайте больше о последствиях загрязнения воды.)
Некоторые виды лучше переносят кислую воду, чем другие. Однако во взаимосвязанной экосистеме то, что влияет на некоторые виды, в конечном итоге влияет на многие другие виды по всей пищевой цепи, включая неводные виды, такие как птицы.
Кислотные дожди и туман также наносят ущерб лесам, особенно высокогорным. Кислотные отложения лишают почву необходимых питательных веществ, таких как кальций, и вызывают выброс алюминия в почву, из-за чего деревьям трудно поглощать воду. Листья и хвоя деревьев также повреждаются кислотами.
Последствия кислотных дождей в сочетании с другими факторами стресса окружающей среды делают деревья и растения менее здоровыми, более уязвимыми к низким температурам, насекомым и болезням. Загрязняющие вещества могут также подавлять способность деревьев к размножению. Некоторые почвы способны лучше нейтрализовать кислоты, чем другие. Но в районах, где «буферная способность» почвы низка, например, в некоторых частях северо-востока США, вредное воздействие кислотных дождей гораздо сильнее.
Кислотные отложения повреждают физические конструкции, такие как здания из известняка и автомобили. А когда они принимают форму вдыхаемого тумана, кислотные осадки могут вызвать проблемы со здоровьем, включая раздражение глаз и астму.
Что можно сделать?
Единственный способ борьбы с кислотными дождями — ограничение выбросов загрязняющих веществ, которые их вызывают. Это означает сжигание меньшего количества ископаемого топлива и установление стандартов качества воздуха.
В США Закон о чистом воздухе 1990 г. был направлен против кислотных дождей, установив предельные значения загрязнения, которые помогли сократить выбросы двуокиси серы на 88 процентов в период между 19 и90 и 2017. Стандарты качества воздуха также привели к снижению выбросов диоксида азота в США на 50 процентов за тот же период времени. Эти тенденции помогли, например, лесам из красной ели в Новой Англии и некоторым популяциям рыб восстановиться после повреждений, нанесенных кислотными дождями. Но восстановление требует времени, и почвы на северо-востоке США и востоке Канады лишь недавно продемонстрировали признаки стабилизации питательных веществ.
Проблемы кислотных дождей будут сохраняться до тех пор, пока будет использоваться ископаемое топливо, и такие страны, как Китай, которые в значительной степени зависят от угля для производства электроэнергии и стали, борются с этими последствиями. Одно исследование показало, что кислотные дожди в Китае, возможно, даже способствовали смертельному исходу 2009 года. оползень. Китай осуществляет контроль за выбросами двуокиси серы, которые с 2007 года сократились на 75 процентов, а в Индии они увеличились вдвое.
Читать далее
Заболевания, передающиеся половым путем, находятся на шокирующе высоком уровне. Как переломить тенденцию?
Наука
Заболевания, передающиеся половым путем, находятся на шокирующе высоком уровне. Как переломить тенденцию?
Более половины новых случаев инфицирования приходится на людей в возрасте от 15 до 24 лет, и карантинные меры в связи с пандемией — это только часть истории. Вот посмотрите, как мы сюда попали и что мы можем с этим поделать.
Крысы вторглись в рай. Вот как рай сопротивлялся.
Окружающая среда
Крысы вторглись в рай. Вот как рай сопротивлялся.