Кислотные дожди

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит. Проблема «кислотных дождей» – одна из глобальных и актуальных. Кислотные дожди, содержащие соединения серной, азотной, соляной и угольной кислот, наносят большой ущерб природе. Источники соединений серы и азота, поступающие в атмосферу и претерпевающие трансформацию в ней, самые разные: биологические процессы, идущие в биосфере; вулканическая деятельность, деятельность почвенных бактерий; химические реакции, идущие в атмосфере. Реакции, ведущие к образованию «кислотных осадков», следующие.

П

t

ри обжиге пирита и сульфидов металлов образуется оксид серы (IV), который в атмосфере окисляется кислородом воздуха до оксида серы (VI):

4

t

FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂ ;

2

h

ZnS + 3O₂ 2ZnO + 2SO₂

2SO₂ + O₂ 2SO₃.

Реакции ускоряются оксидами и солями тяжелых металлов, содержащимися в загрязненном воздухе. Окислению способствует повышенная влажность воздуха и туман. Оксид серы (VI) растворяется в воде с образованием серной кислоты:

SO₃ + H₂O H₂SO₄.

Серная кислота находится в воздухе в каплях тумана. Капли кислоты, адсорбируя воду из атмосферы, растут, туман сгущается, и концентрация кислоты в каплях тумана увеличивается.

Оксид азота (II), образующийся при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания и при разложении нитратов в почве, легко окисляется до оксида азота (IV), который затем растворяется в воде с образованием азотной кислоты:

2NO + O₂ 2NO₂; 3NO₂ + H₂O 2HNO₃ + NO.

Возможен и другой путь превращения оксида азота (IV) в кислоту:

4NO₂ + O₂ + 2H₂O 4HNO₃.

Оксид углерода (IV), содержащийся в большом количестве в атмосфере, тоже дает свой вклад в «кислотные дожди»:

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃.

Частицы морской соли, притягивая воду атмосферы, образуют аэрозоль. Капли аэрозоля – это место протекания химических реакций в атмосфере. Если в каплях аэрозоля растворяются азотная и серная кислоты, то идет образование соляной кислоты: NaCl + H₂SO₄ NaHSO₄ +HCl_Ж.

Считается, что эта реакция является основным источником соляной кислоты в атмосфере.

Таким образом, серная, азотная, соляная и угольная кислоты и их соли обусловливают выпадение «кислотных дождей». Этот дождь неприродного происхождения и для него существуют определенные критерии: низкое значение рН, повышенное содержание сульфатов, нитратов, нитритов, хлоридов и фторидов металлов, образующихся по реакции:

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O;

ZnO + 2HNO₃ Zn(NO₃)₂ + H₂O.

Оксиды металлов попадают в атмосферу в результате горения топлива. Чистая природная дождевая вода подкисляется до pH = 5,6 – 5,7, так как в ней растворяется оксид углерода (IV) с образованием H₂CO₃. Вобрав кислоты, образующиеся из оксидов серы и азота, такая вода становится еще более кислой.

Влияние «кислотных осадков» на окружающую среду. Спектр влияния «кислотных осадков» очень широкий. В первую очередь они влияют на водные экосистемы, почву, лес, на человека и созданные им объекты.

Значение pH для водных экосистем очень важно, т.к. от pH зависит работа ферментов, гормонов, белков, регулирующих рост и развитие живых организмов. Низкое значение pH влияет на популяцию рыбы (препятствует размножению и убивает икру); снижается развитие фитопланктона, уменьшается кормовая база для рыбы и по пищевой цепи снижаются популяции животных, питающихся рыбой; в кислой среде природных водоемов металлическая ртуть превращается в ядовитую растворимую монометиленовую ртуть.

Осадки с повышенной кислотностью ведут к существенным изменениям в почве: идет выщелачивание алюминия, тяжелых металлов и биогенных элементов. Это замедляет рост растений, снижает их устойчивость к заболеваниям. Большинство почв обладает буферной емкостью и пока справляется с нейтрализацией таких осадков, но возможности любой буферной системы ограничены, и необходимо принимать соответствующие меры. Отмечено отрицательное влияние и на наземные экосистемы: нарушение защитного воскового покрова листьев; замедление роста и повреждение корней деревьев из-за высвобождения из почвы и донных осадков ионов Al³⁺, Pb²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ и т.д. Особенно страдают хвойные леса. Часто происходит дефолиация – сброс хвои и листьев деревьями.

В кислой воде активно идет разрушение металлических конструкций и строительных материалов (известняка, оштукатуренных поверхностей, силикатов). Карбонатные породы повреждаются на глубину до 10 см по реакции

CaCO₃ + H₂SO₄ Ca²⁺ + SO₄^2- + H₂O + CO₂

и известняк (CaCO₃) превращается в гипс (CaSO₄ ∙ 2H₂O). Гипс растворяется под дождем и, кроме того, он занимает объем в пространстве больший, чем известняк; в результате возникает механическое давление, и строительный материал разрушается изнутри. Разрушение Кельнского собора идет по этой схеме. Пыль, содержащая сульфаты, нитраты и другие соли тяжелых металлов, обладает гигроскопическими свойствами и оседает на строительных материалах. В результате гидролиза таких солей образуются соответствующие кислоты, непрерывно разрушающие материал. Акрополь в Афинах, многие здания в Риме, Венеции с ростом загрязненности воздуха в последние десятилетия получили большие повреждения, чем за все предыдущее время. Разрушение древних оконных стекол и витражей, содержащих много оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов, идет таким же образом.

Под действием кислотных выбросов металлические конструкции разрушаются еще быстрее чем камни и стекла, особенно во влажном воздухе. В кислой среде начинают активно работать коррозионные микрогальванические элементы, особенно на стыке двух металлов.

«Кислотные осадки» являются серьезной проблемой в Европе, США, Канаде, в некоторых районах Китая, Бразилии, Нигерии. Выпадают «кислотные осадки» и в ряде тропических районов (где промышленность практически не развита) из-за выделения оксидов азота при сжигании биомассы. Кроме того, большая часть кислотообразующих веществ, произведенных в одной стране, переносится ветрами на территорию другой. Например, более 75 % «кислотных осадков» Норвегии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Нидерландов и Финляндии переносится сюда ветром из промышленных районов Западной и Восточной Европы.

Меры борьбы с «кислотными осадками». Борьба может быть направлена, с одной стороны, на предупреждение выбросов, обусловливающих «кислотные дожди», а с другой стороны, – на нейтрализацию «кислотных» осадков.

Для нейтрализации «кислотных осадков» используют известкование почв и водоемов, но в этом случае возникает опасность нарушения кальциевого баланса воды и почвы.

Предупредительные меры по сокращению выбросов кислотообразующих веществ более эффективны. Подсчитано, что сокращение таких выбросов на 50 % фактически приостановит дальнейшее подкисление окружающей среды. Путей снижения этих выбросов много: замена сжигаемого топлива на низкосернистое; очистка угля перед сжиганием от соединений серы; сжигание топлива в псевдоожиженном слое, в результате чего сера удаляется вместе с золой; использование жидких фильтров (скрубберов), сокращающих выброс оксида серы (IV) в атмосферу; очистка продуктов сжигания топлива от оксидов серы и углерода.