Кислотные осадки и фотохимический смог Источники и механизм образования кислотных осадков
Кислотными называют любые осадки - дожди, туманы, снег, отложения. Кислотные свойства обусловлены присутствием чрезвычайно активных ионов водорода (Н+), т.е. атомов водорода без электронной оболочки. Чем больше концентрация водородных ионов в растворе, тем выше его кислотность.
Аналогичным образом горький вкус и едкость растворов всех щелочей, или оснований, обусловлены присутствием гидроксильных ионов (ОН-), т.е. кислород-водородной группы с лишним электроном.
Вам, вероятно, известно, что кислоты и основания нейтрализуют друг друга. Это происходит в результате соединения ионов Н+ и ОН- с образованием воды.
Реальная концентрация ионов водорода вдоль кислотно-основного градиента выражается в единицах водородного показателя, или рН (рис 12). Шкала рН идет от 0 (крайне высокая кислотность), через точку 7 (нейтральная среда) до 14 (крайне высокая основность). Эти цифры - отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода, выраженной в граммах на литр. Например, рН=1 означает, что концентрация Н+ составляет 10-1 г/л; рН=2 - 10-2 г/л и т.д.
В точке рН=7 концентрация Н+ составляет 10-7 г/л, но при этом концентрация ОН- такая же. Величины рН больше 7 продолжают выражать отрицательный логарифм концентрации ионов водорода, но важнее то, что они также обозначают увеличение концентрации ОН-. Например, при рН=13 в растворе 10-13 г/л Н+. Однако концентрация ОН- в этой точке равна 10-1 г/л.
Важно
отметить, что, поскольку цифры на шкале
рН выражают степени 10, то разница между
каждыми единицами десятикратная.
В отсутствие любых загрязнителей у дождевой воды обычно слабокислая реакция (рН=5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты:
СО2 + Н2О Н2СО3 НСО3- + Н+
Таким образом, кислотными точнее называть осадки с рН<5,5. К сожалению, они выпадают в большинстве промышленных районов мира. На значительных площадях промышленных зон и вокруг крупных городов осадки, как правило, в 10 - 1000 раз кислее нормальных.
Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной (Н2SO4) и азотной (HNO3)кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой и на треть - второй. Присутствие в этих формулах серы и азота показывает, что проблема связана с выбросами этих веществ в воздух.
Источники и механизм образования фотохимического смога
Состав смога зависит от его происхождения: переполненные автотранспортном города Южной Европы и Калифорнии в солнечные летние месяцы страдают от смога лос-анджелесского типа, для которого характерно присутствие оксидов азота, озона, пероксиацетилнитратов (ПАН) и других соединеий. В Средней Европе и Великобритании наблюдается смог лондонского типа в осенний и зимний периоды; в нем преобладают SO2, Н2SO4 и копоть. Возможны и промежуточные варианты.
На начальных стадиях образования смога лос-анджелесского типа решающую роль играет СО:
СО + ОН Н + СО2
Н + О2 + М НОО +М,
Где М – частицы, участвующие в столкновениях, но не вступающие в реакции, например, N2. Образующийся при этом радикал пероксида водорода окисляет NO до NO2:
НОО + NO OH + NO2.
Ночью NO2 стабилен. Днем под влиянием солнечного света NO2 фотолитически расщепляется на NO и атомарный кислород:
NO2 + h NO + O.
Этот активный кислород может давать озон:
О + О2 О3.
Кроме того, озон может образовываться и по следующим механизмам:
СО + 2О2 + h СО2 + О3,
СН4 + 4О2 + 2h Н2СО + Н2О + 2О3.
В дальнейшем озон вступает в реакции с углеводородами, образуя альдегиды и кетоны. Углеводороды, взаимодействуя с оксидами азота, образуют различные соединения, наиболее опасным из которых является ПАН (СН3СОО2NO2), который вступает в реакцию с ферментами живых организмов.