КИСЛОТНЫЙ ДОЖДЬ: КАК ОБРАЗУЕТСЯ, СОСТАВ, РЕАКЦИИ И ЭФФЕКТЫ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2026

Кислотные дожди мокрый или сухое осаждение веществ , которые создают рН ниже 5,6. Эти осадки могут быть влажными (разбавленные дождевой водой) или сухими (осаждения твердых частиц или аэрозолей).

Термин «кислотный дождь» был впервые предложен английским исследователем Робертом Ангусом Смитом в 1850 году, в разгар промышленной революции. Наиболее распространенными кислотами, которые образуются в атмосфере, являются азотная и серная при окислении естественных или искусственных загрязнителей.

Карта кислотных дождей. Источник: Alfredsito94

Наиболее значимыми загрязнителями являются оксиды: NO2, NO3, SO2, естественными источниками которых являются извержения вулканов, лесные пожары и бактериальная деградация. Искусственные источники - это выбросы газа в результате сжигания ископаемого топлива (промышленная деятельность и автомобильное движение).

Кислотные дожди оказывают негативное воздействие на окружающую среду, такое как подкисление почв и вод, затрагивая живые существа, в том числе людей. Также почвы и вода загрязнены тяжелыми металлами, в водоемах происходит эвтрофикация.

На уровне вегетации происходит прямое повреждение листьев и нарушение роста растений. Кроме того, подкисление почвы иммобилизует питательные вещества и влияет на микоризы (почвенные грибы). Точно так же здания, машины, памятники и произведения искусства, подвергающиеся воздействию элементов, сильно окисляются или разрушаются под воздействием осажденных кислот.

Чтобы устранить воздействие кислотных дождей, можно предпринять некоторые важные меры, такие как защита памятников и корректировка закисления почв и вод. Однако основным решением для кислотных дождей является уменьшение выбросов в атмосферу химических соединений, которые являются предшественниками образования кислоты.

Как образуется кислотный дождь?

Кислотный туман из-за выбросов SO2 на нефтеперерабатывающем заводе PDVSA на Кюрасао. Источник: HdeK

Химические прекурсоры

Явление кислотного дождя начинается с выброса в атмосферу химических соединений, которые являются предшественниками образования кислот. Эти соединения могут выделяться из естественных или искусственных источников.

К естественным источникам относятся извержения вулканов, пожары растительности и выбросы в океан. В качестве искусственных источников выступают промышленные выбросы, выбросы от горения автомобилей или сжигание отходов.

Эти источники выделяют различные соединения, которые могут образовывать кислоты в атмосфере. Однако наиболее важными являются оксиды азота и оксиды серы.

Оксиды азота известны как NOx и включают диоксид азота (NO2) и закись азота (NO). Со своей стороны оксид серы - это SO2 или диоксид серы.

Тропосферный процесс и полученные кислоты

Явление кислотных дождей происходит в тропосфере (зона атмосферы, которая простирается от поверхности земли до высоты 16 км).

В тропосфере воздушные потоки могут переносить эти соединения по любой части планеты, что делает эту проблему глобальной. В этом процессе оксиды азота и серы взаимодействуют с другими соединениями с образованием соответственно азотной и серной кислот.

Поддержка реакции

Химические реакции могут проводиться либо с твердыми частицами в суспензии, либо в каплях воды в суспензии.

Азотная кислота образуется в основном в газовой фазе из-за ее низкой растворимости в воде. В свою очередь, серная кислота более растворима в воде, так как она является основным компонентом кислотных дождей.

Азотная кислота

Для образования азотной кислоты (HNO3) оксиды азота реагируют с водой, с такими радикалами, как OH (в меньшей степени с HO2 и CH3O2), или с тропосферным озоном (O3).

Серная кислота

В случае производства серной кислоты (H2SO4) также участвуют радикалы OH, HO2, CH3O2, вода и озон. Кроме того, он может образовываться при реакции с перекисью водорода (H2O2) и различными оксидами металлов.

Угольная кислота

H2CO3 образуется в результате фотохимической реакции углекислого газа с атмосферной водой.

Соляная кислота

HCl составляет только 2% кислотных дождей, а ее предшественником является хлористый метил (ClCH3). Это соединение поступает из океанов и окисляется радикалами ОН с образованием соляной кислоты.

Атмосферные осадки

Как только кислотные соединения (азотная кислота или серная кислота и в меньшей степени соляная кислота) образовались, они выпадают в осадок.

Осаждение может происходить в результате осаждения взвешенных частиц, в которых произошла реакция подкисления, в газовой фазе. Другой способ - выпадение конденсированной воды под дождем, где образовались кислоты.

Сочинение

Естественная кислотность дождя близка к pH 5,6, хотя в некоторых незагрязненных районах значение pH составляет 5. Эти низкие значения pH связаны с присутствием кислот природного происхождения.

Считается, что в зависимости от уровня pH дождь можно разделить на:

a) Слабокислый (pH от 4,7 до 5,6)
b) Среднекислый (pH от 4,3 до 4,7)
c) Сильно кислый (pH меньше или равен 4,3).

Если в дожде концентрация нитратов> 1,3 мг / л, а сульфатов> 3 мг / л, загрязнение считается высоким.

Кислотные дожди в более чем двух третях случаев состоят из серной кислоты, за которой в большом количестве следует азотная кислота. Другими компонентами, которые могут повысить кислотность дождя, являются соляная кислота и угольная кислота.

Химические реакции кислотного дождя

Образование серной кислоты (H2SO4)

Производство серной кислоты может происходить в газовой или жидкой фазе.

Газовая фаза

Только от 3 до 4% SO2 окисляется в газовой фазе с образованием серной кислоты. Есть много путей образования серной кислоты из газообразных предшественников, здесь показана реакция SO2 с тропосферным озоном.

Реакция проходит в два этапа:

1.- Диоксид серы реагирует с тропосферным озоном, образуя триоксид серы и выделяя кислород.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Затем триоксид серы окисляется водяным паром и образует серную кислоту.

SO3 + H2O = H2SO4

Жидкая фаза

В каплях воды, образующих дождь, серную кислоту можно получить несколькими способами:

1.- SO2 растворяется в воде, образуя серную кислоту, которая окисляется перекисью водорода:

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- Фотокаталитический механизм: в этом случае частицы оксидов металлов (железо, цинк, титан) активируются под действием солнечного света (фотохимическая активация) и окисляют SO2, образуя серную кислоту.

Образование азотной кислоты (HNO3)

Тропосферный озон O3 производит преобразование NO2 в HNO3 в трехступенчатом процессе:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3.

Воздействие на окружающую среду

Эффект кислотного дождя в лесу в Йизерских горах в Чехии. Источник: Lovecz

Подкисление почвы и его влияние на растительность

Воздействие кислотных дождей на почву варьируется в зависимости от ее состава. Например, почвы известкового, базальтового и магматического происхождения обладают большей способностью нейтрализовать кислотность.

В свою очередь, почвы, богатые кварцем как инертным материалом, не способны регулировать содержание кислоты. Таким образом, в почвах, где кислотные дожди повышают кислотность, ионы металлов, токсичные для растений и животных, выделяются и уносятся.

Соответствующий случай - растворение алюмосиликатов, которые выделяют ионы алюминия, которые очень вредны для растений.

В целом кислотность почвы снижает доступность питательных веществ для растений. Кроме того, он способствует высвобождению и вымыванию кальция, который вызывает дефицит у растений.

Влияние на водоносные горизонты и здоровье человека

В большинстве случаев кислотный дождь не отличается по внешнему виду и вкусу от обычного дождя и не вызывает ощущений на коже. Его воздействие на здоровье человека является косвенным, и он редко вызывает повреждение кожи из-за повышенной кислотности.

Одна из проблем с кислотными дождями заключается в том, что при понижении значений pH ниже 5 тяжелые металлы высвобождаются и уносятся. Эти загрязнители, такие как алюминий и кадмий, могут попадать в подземные водоносные горизонты.

Если вода из этих загрязненных водоносных горизонтов попадет в колодцы, используемые для потребления людьми, это может нанести серьезный ущерб здоровью.

Износ зданий, памятников и материалов

Горгулья повреждена кислотным дождем. Источник: Нино Барбьери

Камни известкового типа

Постройки, памятники и скульптуры из известняка или мрамора сильно страдают от кислотных дождей. Это довольно серьезно, поскольку из этих материалов построено множество исторических зданий и произведений искусства.

В случае известняка кислотный дождь вызывает растворение известняка и вызывает перекристаллизацию кальцита. В результате перекристаллизации поверхность приобретает беловатый оттенок.

В конкретном случае дождя с серной кислотой возникает явление сульфатирования. В результате этого процесса поверхность породы превращается в гипс и выделяется CO2.

Мрамор, хотя и более устойчивый, также подвержен кислотным дождям. В этом случае происходит расслоение камня, из-за чего отрываются его поверхностные слои.

Другие некоррозионные материалы

В некоторых зданиях структурный износ незначительный, но также имеет негативные последствия. Например, сухие кислотные отложения загрязняют стены, увеличивая расходы на обслуживание.

металлы

Кислотный дождь вызывает коррозию металлов из-за явления окисления. Это приводит к огромным экономическим потерям, поскольку серьезно страдают конструкции, оборудование, механизмы и автомобили с металлическими деталями.

Флора и фауна

Рыба убита кислотным дождем. Источник: Служба охраны рыболовства и дикой природы США.

Кислотные дожди изменяют естественный баланс водных и наземных экосистем.

Растения и животные в непроточных водоемах

Бледные водоемы более подвержены закислению, поскольку представляют собой замкнутые экосистемы. Кроме того, накопление кислот в воде отрицательно сказывается на жизни в ней.

Еще одно последствие подкисления - выпадение нитратов в виде дождя, которое вызывает эвтрофикацию водоемов. Избыток питательных веществ снижает доступный кислород и отрицательно сказывается на выживании водных животных.

Другой косвенный отрицательный эффект - это унос ионов тяжелых металлов из земной среды в водоемы. Эти ионы попадают в почву под действием ионов гидроксония при повышении кислотности.

Растительность и доступность питательных веществ

Наиболее серьезные проблемы, вызванные подкислением почвы, - это неподвижность основных питательных веществ и увеличение токсичных металлов.

Например, алюминий и магний выделяются из частиц почвы, замещаясь водородом. Алюминий влияет на структуру и функцию корней и снижает усвоение необходимого для растений кальция.

С другой стороны, подкисление почвы вызывает повреждение микоризы (грибов, ассоциированных с корнями), которые играют важную роль в динамике леса.

Прямой ущерб растениям и животным

Серная кислота вызывает прямое повреждение листьев, разлагая хлорофилл и вызывая хлороз (пожелтение листьев). У некоторых видов снижается рост и образование жизнеспособных семян.

Амфибии (лягушки и жабы) особенно чувствительны к воздействию кислотности воды. Некоторые повреждения представляют собой прямые травмы и снижение защиты от патогенов (особенно кожных грибков).

Решения

Уменьшить выбросы

Суть кислотных дождей заключается в сокращении выбросов химических веществ-прекурсоров кислоты в окружающую среду. Наиболее важными из них являются оксиды серы и азота.

Однако с этим связаны некоторые трудности, поскольку это затрагивает экономические интересы и интересы развития компаний и стран. Например, одним из основных источников диоксида серы является сжигание угля, на долю которого в Китае приходится более 70% энергии.

Есть несколько технологических альтернатив, которые могут помочь снизить выбросы. Например, в промышленности так называемые «псевдоожиженные слои» включают абсорбенты (известняк или доломит), удерживающие SO2. В случае автомобилей и двигателей внутреннего сгорания в целом, каталитические нейтрализаторы также помогают снизить выбросы SO2.

С другой стороны, некоторые страны реализуют специальные программы по сокращению кислотных дождей. Например, в США разработана Национальная программа оценки кислотных осадков (NAPAP). Среди некоторых мер, предусмотренных NAPAP, - внедрение топлива с низким содержанием серы.

Еще одна возможная мера - замена автопарка электромобилями для уменьшения кислотных дождей и глобального потепления. Однако, хотя технология для этого существует, давление со стороны автомобильной и нефтяной промышленности задерживает принятие решений в этом отношении. Другими влияющими факторами являются культурные элементы, связанные с ожидаемой скоростью движения транспортного средства.

Применить меры по коррекции кислотности

В некоторых случаях pH почвы и воды можно повысить, добавляя щелочи, например, добавляя большое количество извести. Однако такая практика неосуществима на очень больших площадях земли.

Защита поверхности

Камень

Существуют различные методы защиты или хотя бы уменьшения порчи камня под действием кислотного дождя. Один из таких способов - промыть его паром или горячей водой.

Также можно использовать химические агенты, такие как фтористоводородная кислота или бифторид аммония. После промывания камень можно запечатать, нанеся специальные средства, закупоривающие поры, например гидроксид бария.

металл

Металлические поверхности, подверженные коррозии, можно защитить, нанеся на них некоррозионный металл, например цинк.

Для этого может быть применено электроосаждение или металлическая конструкция, которую необходимо защитить, может быть погружена в защитный металл в жидком состоянии.

Ссылки

1. Эспада Л. и А. Санчес (1995). Влияние кислотных дождей на коррозию металлов. стр. 145-171. В кн .: Sastre de Vicente M. (Координаты) Электрохимия и окружающая среда на пороге XXI века. Университет Ла-Корунья. Служба публикаций. Ла-Корунья, Испания.
2. Гарсия-Руис Дж. (2018). Защита строительных конструкций в агрессивных средах. Завершение дипломного проекта в области инженерии промышленных технологий. Политехнический университет Картахены. Высшая техническая школа промышленного машиностроения. Картахена, испания. 75 с.
3. Гранадос-Санчес Д., Г. Ф. Лопес-Риос и М. А. Эрнандес-Гарсия (2010). Кислотные дожди и лесные экосистемы. Revista Chapingo Forestry and Environment Sciences Series 16: 187-206.
4. Likens GE, CT Driscoll и DC Buso (1996). Долгосрочные эффекты кислотных дождей: реакция и восстановление лесной экосистемы. Наука, 272; 244-246.
   Likens GE и FH Bormann (1974). Кислотный дождь: серьезная региональная экологическая проблема. Science, 184: 1176-1179.
5. Шиндлер DW (1988). Влияние кислотных дождей на пресноводные экосистемы. Science, 239: 149-157.
6. Велес-Упеги JJ, MC Валенсия-Хиральдо, Лондоньо-Карвахаль, CM Гонсалес-Дуке, JP Mariscal-Moreno (2010). Загрязнение воздуха и кислотные дожди. Диагностика явления в городе Манисалес. Факультет инженерии и архитектуры. Национальный университет Колумбии. Штаб-квартира в Манисалесе. От редакции Blanecolor Ltda. Первое издание. Манисалес, Колумбия. 150 с.