4.4: Кислотні дощі та озон (I)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 29647

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Кислотні дощі є серйозною екологічною проблемою у всьому світі, особливо зачіпаючи Азію, Європу та значну частину США та Канади. Кислі забруднювачі, такі як SO ₂ і NO _x, викидаються в навколишнє середовище при спалюванні викопного палива.

Велика частина сірки в будь-якому паливі з'єднується з киснем і утворює SO ₂ в камері згоряння. Цей SO ₂ при викиді в атмосферу повільно окислюється до SO ₃. SO ₃ добре розчиняється у воді в хмарах і утворює H ₂ SO ₄ (сірчану кислоту).

\[ \ce{ S + O2 -> SO2 + \dfrac{1}{2}O2 \, (in \, the \, atmosphere) } \nonumber\]

\[ \ce{ SO2 + \dfrac{1}{2} O2 \, (in \, the \, atmosphere) -> SO3 + H2O } \nonumber\]

\[ \ce{ SO3 + H2O -> H2SO4 \, (sulfuric \, acid) } \nonumber\]

Велика частина NO _x, що випромінюється, має форму NO. Це NO окислюється в атмосфері до NO ₂. NO ₂ розчинний у воді і утворює HNO ₃ (азотну кислоту).

\[ \ce{ NO + \dfrac{1}{2} O2 \, (in \, the \, atmosphere) -> NO2 + H2O } \nonumber\]

\[ \ce{ NO2 + H2O -> HNO3 \, (nitric \, acid) } \nonumber\]

Кислотне осадження

Сонячне світло збільшує швидкість більшості реакцій SO ₂ і NO. В результаті виходить м'який розчин сірчаної кислоти і азотної кислоти. «Кислотний дощ» - це широкий термін, який використовується для опису декількох способів випадання кислот з атмосфери. Більш точним терміном є кислотне осадження, яке має дві частини: вологу і суху.

Вологе осадження - відноситься до кислотних дощів, туману, снігу. Оскільки ця кисла вода протікає по землі і крізь неї, вона вражає різноманітні рослини і тварини. Сила впливу залежить від багатьох факторів, серед яких:
- кислотність води;
- хімічна і буферна здатність задіяних грунтів;
- види риб, дерев та інших живих істот, які покладаються на воду.

Сухе осадження - відноситься до кислих газів і частинок. Близько половини кислотності в атмосфері падає назад на землю через сухе осадження.
- Кислі частинки та гази видуваються вітром на будівлі, автомобілі, будинки та дерева.
- Сухі відкладені гази і частинки також можуть бути вимиті з дерев та інших поверхонь дощами. Коли це трапляється, стічна вода додає ці кислоти до кислотного дощу, роблячи комбінацію більш кислою, ніж випадаючий дощ.

Процес кислотного осадження

Переважаючі вітри продувають сполуки, які спричиняють як вологе, так і сухе кислотне осадження через державні та національні кордони, а іноді і понад сотні миль. У відео докладніше йде про процес відкладення кислоти.

Шкала рН

Кислотні дощі вимірюють за допомогою шкали рН.

рН - це міра концентрації іонів водню, яка вимірюється як негативний логарифм. Іншими словами, кислоти виробляють іони водню, а луги виробляють гідроксильні іони, тому рН - це сила розчину для отримання іонів водню [H+].

Шкала рН коливається від 0 до 14 і вказує, наскільки кислою або основною є речовина.

А рН 7 є нейтральним.
А рН менше 7 є кислим.
РН більше 7 є основним.

Чим нижче рН речовини, тим він більш кислий. Кожне ціле значення рН нижче 7 (нейтральна точка) в десять разів більш кисле, ніж наступне вище значення.

Наприклад, рН 4 в десять разів кислотніше, ніж рН в 5 і в 100 разів (10 разів 10) більш кислий, ніж рН 6.

Чим вище рН речовини, тим він більш основний або лужний.

Кожне ціле значення рН вище 7 в десять разів більше лужного (ще один спосіб сказати основне), ніж наступне нижче ціле значення.
Наприклад, рН 10 в десять разів більше лужного, ніж рН 9.

Малюнок 4.4.1 дає візуальну шкалу рН.

Малюнок 4.4.1. шкала рН

Вплив кислотного дощу

Огляд

Чиста вода має рН 7,0. Звичайний дощ є слабокислим, оскільки вуглекислий газ розчиняється в ньому, тому він має рН близько 5,5. Станом на 2000 рік найбільш кислий дощ, що випадає в США, має рН близько 4,3.

Нижче наведено відео-демонстрацію, яка повторює вплив кислотних дощів на життя рослин. На відео боби поміщають в: а) воду, б) слабокислу воду і в) кислу воду, причому їх зростання спостерігається протягом трьох днів.

Вплив кислотних дощів на ліси та водне життя

Ліси

Кислотний дощ зазвичай не вбиває дерева безпосередньо. Замість цього, швидше за все, послабити дерева:

пошкодження їх листя;
обмеження наявних у них поживних речовин;
піддаючи їх впливу токсичних речовин, повільно виділяються з грунту.

Досить часто травмування або загибель дерев є результатом цих наслідків кислотних дощів в поєднанні з однією або декількома додатковими загрозами.

Водна життя

Кислотні дощі спричиняють закислення озер і струмків і сприяють пошкодженню дерев на високих висотах (наприклад, червоні ялини вище 2000 футів) і багатьох чутливих лісових ґрунтів. Кілька регіонів США були визначені як містять багато поверхневих вод, чутливих до підкислення, як показано на малюнку 4.4.2. До них відносяться:

Адірондаки і Катскілл гори в штаті Нью-Йорк;
Середньо-Аппалачское нагір'я вздовж східного узбережжя;
Верхній Середній Захід;
Гірські райони Західної Сполучених Штатів.

Малюнок 4.4.2. Карта США показує висотні райони

Деякі види рослин і тварин можуть обробляти кислі води. Інші, однак, чутливі до кислоти і будуть втрачені в міру зниження рН. На малюнку 4.4.3 показані рівні рН, які можуть переносити риби, молюски та комахи.

Малюнок 4.4.3. допуски рН різних організмів

Вплив кислотного дощу на матеріали, видимість та здоров'я людини

Матеріали

Кислотні дощі та сухе осадження кислих частинок сприяють корозії металів (наприклад, бронзи) та погіршенню фарби та каменю (наприклад, мармуру та вапняку). Ці ефекти серйозно знижують цінність для суспільства будівель, мостів, культурних об'єктів (таких як статуї, пам'ятники та надгробки) та автомобілів. На малюнку 4.4.4 показаний приклад статуї, ураженої кислотними дощами.

Малюнок 4.4.4. Кислотна дощова ерозія до статуї

Видимість

Сульфати та нітрати, що утворюються в атмосфері з викидів діоксиду сірки (SO ₂) та оксидів азоту (NO _x), сприяють погіршенню видимості, тобто ми не можемо бачити так далеко або так чітко через повітря.

Східна частина США

Сульфатні частинки становлять від 50 до 70 відсотків зменшення видимості у східній частині Сполучених Штатів, що впливає на наше задоволення національними парками, такими як Шенандоа та Великі Димні гори.

Завдяки програмі Acid Rain, скорочення SO ₂ буде завершено для поліпшення візуального діапазону в національних парках, розташованих на сході США, таких як Великі димчасті гори, показані на малюнку 4.4.5. На підставі дослідження вартості відвідувачів національного парку місце на видимості, очікується, що ці скорочення коштуватимуть понад мільярд доларів щорічно до року 2010.

Малюнок 4.4.5. Великі Димчасті гори

Західні США

У західній частині США нітрати та вуглець також відіграють роль, але сульфати були залучені як важливе джерело погіршення видимості у багатьох національних парках плато річки Колорадо, включаючи Гранд-Каньйон (показано на малюнку 4.4.6), Каньйонлендс та Брайс-Каньйон.

Малюнок 4.4.6. Гранд-Каньйон

Здоров'я людини

Кислотний дощ виглядає, відчуває і смакує так само, як чистий дощ. Шкода людям від кислотних дощів не прямий. Прогулянка під кислотним дощем або навіть купання в кислотному озері не небезпечніше, ніж ходьба або купання в чистій воді. Однак забруднювачі, що викликають кислотні дощі, також шкодять здоров'ю людини.

Вплив діоксиду сірки (SO ₂): Ці гази взаємодіють в атмосфері, утворюючи дрібні частинки сульфату та нітратів, які можуть транспортуватися на великі відстані вітрами та вдихати глибоко в легені людей. Дрібні частинки також можуть проникати всередину приміщення. Багато наукових досліджень виявили взаємозв'язок між підвищеним рівнем дрібних частинок та збільшенням захворювання та передчасною смертю від розладів серця та легенів, таких як астма та бронхіт.
Вплив оксиду азоту (NO _x): Зниження викидів оксиду азоту також, як очікується, матиме сприятливий вплив на здоров'я людини за рахунок зменшення оксидів азоту, доступних для реагування з летючими органічними сполуками та утворення озону. Вплив озону на здоров'я людини включає ряд ризиків захворюваності та смертності, пов'язаних із запаленням легенів, включаючи астму та емфізему.

Захист навколишнього середовища від кислотних дощів

Щоб захистити навколишнє середовище від кислотних дощів, можна зробити наступне:

Вимкніть світло, комп'ютери та інші прилади, коли ви їх не використовуєте.
Використовуйте енергоефективні прилади: освітлення, кондиціонери, обігрівачі, холодильники, пральні машини і т.д.
Використовуйте електроприлади лише тоді, коли вони вам потрібні.
Тримайте термостат на рівні 68° F взимку та 72° F влітку. Ви можете перевернути його ще нижче взимку і вище влітку, коли перебуваєте далеко від дому.
Утеплюйте свій будинок як можна краще.
Автомобіль, користуйтеся громадським транспортом, а ще краще, пішки або велосипедом, коли це можливо.
Купуйте транспортні засоби з низьким _{рівнем викидів NO x} та добре підтримуйте всі транспортні засоби.