Кислотные дожди

  Кислотный дождь

  Кислотный дождь – все виды метеорологических осадков – дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение рН дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (обычно – оксидами серы, оксидами азота).

  Надо  сказать, что обычный дождь является кислым сам по себе, даже в отсутствие заводов. Это происходит из-за того, что в процессе формирования и выпадения дождевые капли растворяют находящийся в воздухе углекислый газ и реагируют с ним с образованием угольной кислоты (H₂CO₃). Чистый дождь, проходящий через незагрязненный воздух, представляет собой водный раствор с pH 5,6 (к моменту удара о землю). Как мы увидим дальше, основная причина выпадения кислотных дождей — это деятельность человека, однако есть и естественные причины, начиная с извержения вулканов и разряда молнии и кончая жизнедеятельностью бактерий. В общем, даже если бы мы закрыли все фабрики и перестали ездить на машинах и грузовиках, значение pH дождя все равно было бы примерно 5,0. Поэтому сейчас принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0.

  Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 г. англ. исследователем Ангусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются  одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев и растительности. Кроме того, кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

  Вода  обычного дождя тоже представляет собой  слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как  СО₂, вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота. Тогда как в идеале рН дождевой воды 5,6-5,7, в реальной жизни показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности в другой местности. Это прежде всего зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

  В 1883 г. шведский ученый Сванте Аррениус ввел в обращение два термина  – кислота и основание. Он назвал кислотами вещества, которые при растворении в воде образуют свободные положительно заряженные ионы водорода. Основаниями он назвал вещества, которые при растворении в воде образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы. Термин рН используют в качестве показателя кислотности воды. Термин рН в переводе с английского – показатель степени концентрации ионов водорода.

  Шкала кислотности. Значение рН измеряется на шкале от 0 до 14. В воде и водных растворах присутствуют как ионы водорода, так и гидроксид-ионы. Когда концентрация ионов водорода в воде или растворе равна концентрации гидроксид-ионов в том же растворе,  то такой раствор является нейтральным. Значение рН нейтрального раствора – 7.  те растворы, значение рН которых от 0 до 7, - кислые, от 7 до 14 – щелочные.

  Следует обратить внимание на одну особенность  шкалы. Каждая последующая ступенька  на шкале рН говорит о 10-кратном  уменьшении концентрации ионов водорода и увеличении концентрации гидроксид-ионов. Например, кислотность вещества при  рН 4 в 10 раз выше кислотности вещества при рН 5, в 100 раз выше, чем кислотность вещества при рН 6 и в 100 000 раз выше, чем кислотность вещества при рН 9.

  Химические  реакции. Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как SO₂ и различными оксидами азота.

  Сернистый газ SO₂ образуется при эксплуатации энергетических установок, использующих органическое топливо, а также металлургических предприятий. Выделяющийся при сжигании угля, мазута, нефти, при обжиге на воздухе полиметаллических и других сульфидных руд сернистый газ попадает в атмосферу с отходящими газами и в присутствии паров влаги превращается в неустойчивую сернистую кислоту и окисляется до серной кислоты.

  Источником  сернистого газа в атмосфере могут быть и естественные процессы — извержение вулканов, разложение так называемых серных вод, биогенное выделение (СНз из океанских вод, H₂S  из тропических почв) и другие, однако антропогенные выбросы серы уже сравнимы с естественными в южном полушарии и более чем на порядок превысили их в северном полушарии Земли. Вклад природных источников в глобальном масштабе не превышает 40%.

  Время пребывания SO₂ в атмосфере в среднем составляет около 15 дней. Благодаря своей активности SO₂ в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них — окисление с образованием H₂SO₄. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км). Самоочищение атмосферы происходит в основном за счет выпадения кислотных дождей и снега, наносящих серьезный ущерб флоре, фауне (химические ожоги), вызывающих коррозию и разрушение элементов зданий и сооружений.

  Самоочищение  происходит и при «сухом» осаждении  кислых осадков, т. е. в виде самого газа SO₂, газа, адсорбированного на пылевых частицах, или S0₂, растворенного в мельчайших каплях тумана, в котором медленно образуется аэрозоль серной кислоты. Такой процесс типичен для атмосферы с высоким содержанием диспергированной влаги, мелкодисперсной пыли и мощных выбросов SO₂.

  Еще один источник кислот в дождевой воде — оксиды азота. Их прародитель — обычный воздух, содержащий, как известно, в основном азот и кислород. В естественных условиях образование оксидов азота из газов воздуха происходит лишь при грозовых разрядах и в результате деятельности азотфиксирующих и разлагающих белок бактерий. В промышленности оксиды азота образуются на энергетических предприятиях (57 %), на заводах (4,5 %), производящих азотную кислоту («лисьи хвосты» над трубами). Могут образоваться оксиды азота и в автомобильных двигателях (38,5 %): развиваемая при сжигании топлива высокая температура способствует реакции азота с кислородом. Немалый вклад в загрязнение атмосферы вносит и применение азотных удобрений (нитратов, аммиака и др.), за счет чего увеличивается количество оксидов азота «бактериального» происхождения. Доля природных процессов в образовании оксидов азота оценивается в 50%.

  Азотная кислота, в отличие от серной, может  долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Пары HNO₃ в атмосфере поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозоля.

  Определенная  «заслуга» в образовании кислот в атмосфере принадлежит хлору  и его соединениям. Их гидролиз или  фотохимическое разложение приводят к появлению хлороводорода.

  Что же происходит со всеми этими кислотами? Мельчайшие капельки кислот диаметром 0,1 — 1,0 мкм в виде тумана довольно устойчивы и не осаждаются, но они могут служить центром конденсации влаги, сливаться друг с другом и выпадать на землю в виде дождя. Кислотность растворов выражают с помощью водородного показателя — рН. Чистая вода при температуре 20 °С имеет рН = 7,0, обычная дождевая вода — в среднем 5,6 (некоторую кислотность ей придает присутствующий в воздухе углекислый газ). Вода кислотных дождей имеет рН < 5,0.

  В некоторых районах Швеции, Норвегии, США кислотность дождевых вод составляет 4,2 — 4,5, а концентрация кислот в них превышает нормальную для дождей в десятки раз. Некоторые дождевые воды содержат еще больше кислоты. В 1974 г. в Шотландии во время грозы рН дождевой воды составлял 2,4, т. е. в тысячи раз больше нормы. Для сравнения скажем, что такой же водородный показатель имеет 6% столовый уксус.

• Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы – озера, реки, заливы, пруды – повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут в воде при рН от 7 до 9,2. При рН 6 погибают пресноводные креветки, при рН до 5,5 погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает накапливаться на дне. Затем гибнет планктон – крошечное животное, которое оставляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. При рН 4,5 погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Дальнейшее уменьшение рН приводит к гибели рыб, затем земноводных, а в конце концов — насекомых и растений: организмы не приспособлены к жизни в кислотах. К счастью, всеобщая гибель предотвращается почвой, которая не только фильтрует через себя дождевую воду, но и химически очищает ее, обменивая катионы Н + на катионы натрия и калия. Очищающие свойства почвы были известны с давних времен. Тит Лукреций Кар считал, что даже морскую воду можно опреснить, пропуская ее через почву, «ибо при грубости их, ее горечи мерзкой начала, не уходя в глубину, на поверхности держатся почвы». Таков же механизм естественной очистки речных и других проточных вод. И лишь при скапливании подкисленной дождевой воды в непроточных водоемах — озерах и прудах, особенно расположенных на кислых грунтах, — очистка происходит крайне медленно или вовсе не происходит. Все живое тогда погибает. Такое явление получило печальную известность; теперь уже ведется статистика, сколько озер ежегодно становятся мертвыми из-за кислотных дождей. В горах Андродиак (штат Нью-Йорк, США) более половины из 214 озер уже не имеют рыбы.
• По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металов, как алюминий, кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека.
• Кислотные дожди воздействуют и на почву, вызывая закисление ее, поскольку ионообменная способность почвы не беспредельна. Закисление отрицательно влияет на структуру, агрегатное состояние почвы, угнетает почвенную микрофлору и растения, вызывает их гибель. Это вредит лесам, сельскохозяйственным культурам.
• От кислотных дождей страдают здания и сооружения, каменные и металлические конструкции. Особенно страдают мраморные и известняковые сооружения. Из-за повышенной кислотности городского воздуха в последнее время заметно ускорилось разрушение мраморных сооружений и памятников, выдержавших натиск столетий.

  Особенность кислотных дождей — их отдаленность от места выброса оксидов серы и азота и привязка к определенным географическим зонам, что связано с тем, что превращение оксидов серы и азота протекает сравнительно медленно, а выбросы заводских труб относятся ветрами. Так, максимальная концентрация серной кислоты достигается на расстоянии 250 — 300 км от места выброса SO2- Еще меньше скорость связывания кислоты пылевидными оксидами металлов: максимальная концентрация сульфатов отмечается на 500— 1000 км от места выброса. Общая ситуация из года в год приблизительно повторяется, поскольку роза ветров (значит, и роза задымления) и другие действующие факторы меняются мало.

  В Европе, где значительную часть года господствуют юго-западные ветры, наиболее уязвимы для кислотных дождей территории на севере ее центральной части: Великобритания, Германия, Швеция, Финляндия и отчасти другие страны. В то же время в Великобритании и Германии осаждается только от viq до '/з части выброшенной трубами предприятий серы, а в Скандинавских странах, наоборот, в 2 — 3 раза больше серы, чем ее вырабатывают собственные заводы. Кислотные дожди не признают территориальных границ.