Las reacciones ácido-base pueden tener un fuerte impacto ambiental. Por ejemplo, un aumento dramático en la acidez de la lluvia y la nieve en los últimos 150 años está disolviendo superficies de mármol y piedra caliza, acelerando la corrosión de objetos metálicos y disminuyendo el pH de las aguas naturales. Este problema ambiental se denomina lluvia ácida y tiene consecuencias significativas para todos los organismos vivos. Entender la lluvia ácida requiere comprender las reacciones ácido–base en solución acuosa.

El término lluvia ácida es en realidad un tanto engañoso porque incluso el agua de lluvia pura recolectada en áreas remotas de la civilización es ligeramente ácida (pH ≈ 5.6) debido al dióxido de carbono disuelto, que reacciona con el agua para dar ácido carbónico, un ácido débil:

\

El químico inglés Robert Angus Smith generalmente acuñó la frase lluvia ácida en 1872 para describir el aumento de la acidez de la lluvia en los centros industriales británicos (como Manchester), que aparentemente fue causada por los excesos desenfrenados de la Revolución Industrial temprana, aunque la conexión aún no se entendía. En ese momento, no había una buena manera de medir las concentraciones de iones de hidrógeno, por lo que es difícil conocer el pH real de la lluvia observada por Smith. Los valores de pH típicos para la lluvia en el territorio continental de los Estados Unidos ahora varían de 4 a 4.5, con valores tan bajos como 2.0 reportados para áreas como Los Ángeles. La lluvia con un pH de 2 es comparable en acidez al jugo de limón, e incluso la lluvia «normal» ahora es tan ácida como el jugo de tomate o el café negro.

¿Cuál es la fuente del aumento de la acidez en la lluvia y la nieve? El análisis químico muestra la presencia de grandes cantidades de iones sulfato (SO42−) y nitrato (NO3−), y una amplia variedad de pruebas indica que una fracción significativa de estas especies proviene de óxidos de nitrógeno y azufre producidos durante la combustión de combustibles fósiles. A las altas temperaturas que se encuentran tanto en los motores de combustión interna como en las descargas eléctricas, el nitrógeno molecular y el oxígeno molecular reaccionan para dar óxido nítrico:

\

El óxido nítrico reacciona rápidamente con el exceso de oxígeno para dar dióxido de nitrógeno, el compuesto responsable del color marrón del smog:

\

Cuando el dióxido de nitrógeno se disuelve en agua, forma una mezcla 1:1 de ácido nitroso y ácido nítrico:

\

Debido a que el oxígeno molecular eventualmente oxida el ácido nitroso en ácido nítrico, la reacción general es

\

Grandes cantidades de dióxido de azufre siempre han sido liberadas a la atmósfera por fuentes naturales, como volcanes, incendios forestales y la descomposición microbiana de materiales orgánicos, pero durante la mayor parte de la historia registrada de la Tierra, el ciclo natural del azufre de la atmósfera hacia los océanos y las rocas mantuvo bajo control la acidez de la lluvia y la nieve. Desafortunadamente, la quema de combustibles fósiles parece haber inclinado la balanza. Muchos carbones contienen entre un 5% y un 6% de pirita (FeS2) en masa, y los aceites combustibles suelen contener al menos un 0,5% de azufre en masa. Desde mediados del siglo XIX, estos combustibles se han quemado a gran escala para satisfacer las necesidades energéticas de nuestra sociedad industrial moderna, liberando decenas de millones de toneladas adicionales de SO2 a la atmósfera anualmente. Además, el tostado de minerales de sulfuro para obtener metales como el zinc y el cobre produce grandes cantidades de SO2 a través de reacciones como

\

Independientemente de la fuente, el SO2 se disuelve en el agua de lluvia para dar ácido sulfuroso (Ecuación \(\ref{5.7.7}\)), que finalmente se oxida por oxígeno a ácido sulfúrico (Ecuación \(\ref{5.7.8}\)):

\

\

Las preocupaciones sobre los efectos nocivos de la lluvia ácida han llevado a una fuerte presión sobre la industria para minimizar la liberación de SO2 y NO. Por ejemplo, las centrales eléctricas que queman carbón ahora usan «depuradores» de SO2, que atrapan el SO2 por su reacción con cal (CaO) para producir sulfito dihidrato de calcio (CaSO3·2H2O; Figura \(\pageIndex{1}\)).

El daño que causa la lluvia ácida a edificios y esculturas de piedra caliza y mármol se debe a una reacción clásica ácido-base. El mármol y la piedra caliza están compuestos de carbonato de calcio (CaCO3), una sal derivada del ácido débil H2CO3. La reacción de un ácido fuerte con una sal de un ácido débil se completa. Por lo tanto, podemos escribir la reacción de piedra caliza o mármol con ácido sulfúrico diluido de la siguiente manera:

\

Dado que CaSO4 es escasamente soluble en agua, el resultado neto de esta reacción es disolver el mármol o la piedra caliza. El Monumento a Lincoln en Washington, DC, que fue construido en 1922, ya muestra daños significativos debido a la lluvia ácida, y muchos objetos más antiguos están exhibiendo daños aún mayores (Figura \(\pageIndex{2}\)). Los objetos metálicos también pueden sufrir daños por lluvia ácida a través de reacciones de oxidación–reducción.

los efectos biológicos de La lluvia ácida son más complejos. Como se indica en la Figura 4.15, los fluidos biológicos, como la sangre, tienen un pH de 7-8. Organismos como los peces pueden mantener su pH interno en el agua que tiene un pH en el rango de 6,5 a 8,5. Sin embargo, si el pH externo es demasiado bajo, muchos organismos acuáticos ya no pueden mantener su pH interno, por lo que mueren. Un pH de 4 o inferior es fatal para prácticamente todos los peces, la mayoría de los animales invertebrados y muchos microorganismos. Como resultado de la lluvia ácida, el pH de algunos lagos en Europa y los Estados Unidos ha caído por debajo de 4. Encuestas recientes sugieren que hasta el 6% de los lagos en las montañas Adirondack del norte del estado de Nueva York y el 4% de los lagos en Suecia y Noruega están esencialmente muertos y no contienen peces. Ninguna de las ubicaciones contiene grandes concentraciones de industria, pero Nueva York se encuentra a favor del viento del Medio Oeste industrial, y Escandinavia a favor del viento de las regiones más industrializadas de Europa occidental. Ambas regiones parecen haber sido las más afectadas por la contaminación producida por sus vecinos ceñidos al viento. Una forma posible de contrarrestar los efectos de la lluvia ácida en lagos aislados es añadiendo grandes cantidades de piedra caliza finamente molida, que neutraliza el ácido a través de la reacción que se muestra en la Ecuación \(\ref{5.7.9}\).

Una segunda forma importante en la que la lluvia ácida puede causar daños biológicos es menos directa. Los árboles y muchas otras plantas son sensibles a la presencia de aluminio y otros metales en las aguas subterráneas. En circunstancias normales, el hidróxido de aluminio, que está presente en algunos suelos, es insoluble. Sin embargo, a valores de pH más bajos, Al(OH)3 se disuelve mediante la siguiente reacción:

\

El resultado es un aumento de los niveles de iones Al3+ en las aguas subterráneas. Debido a que el ion Al3+ es tóxico para las plantas, las altas concentraciones pueden afectar el crecimiento de las plantas. La lluvia ácida también puede debilitar las hojas y las raíces de las plantas tanto que las plantas no pueden soportar otras tensiones. La combinación de los dos efectos puede causar daños significativos a los bosques establecidos, como la Selva Negra en Alemania y los bosques del noreste de Estados Unidos y Canadá y otros países (Figura \(\pageIndex{3}\)).