syre–base reaktioner kan have en stærk miljøpåvirkning. For eksempel er en dramatisk stigning i surhedsgraden af regn og sne i løbet af de sidste 150 år opløsning af marmor-og kalkstenoverflader, fremskyndelse af korrosion af metalgenstande og nedsættelse af pH i naturlige farvande. Dette miljøproblem kaldes sur regn og har betydelige konsekvenser for alle levende organismer. For at forstå sur regn kræver en forståelse af syre-base reaktioner i vandig opløsning.

udtrykket syreregn er faktisk noget vildledende, fordi selv rent regnvand opsamlet i områder fjernt fra civilisationen er let surt (pH-værdi 5,6) på grund af opløst kulsyre, som reagerer med vand for at give kulsyre, en svag syre:

\

den engelske kemiker Robert Angus Smith er generelt krediteret med at opfinde sætningen sur regn i 1872 for at beskrive den øgede surhed af regnen i britiske industricentre (såsom Manchester), som tilsyneladende var forårsaget af de uhæmmede overdrivelser af den tidlige industrielle Revolution, skønt forbindelsen endnu ikke var forstået. På det tidspunkt var der ingen god måde at måle hydrogenionkoncentrationer på, så det er svært at kende den faktiske pH i regnen observeret af Smith. Typiske pH-værdier for regn i det kontinentale USA spænder nu fra 4 til 4.5, med værdier så lave som 2,0 rapporteret for områder som Los Angeles. Regn med en pH på 2 kan sammenlignes i surhed med citronsaft, og endda “normal” regn er nu lige så sur som tomatsaft eller sort kaffe.

Hvad er kilden til den øgede surhed i regn og sne? Kemisk analyse viser tilstedeværelsen af store mængder sulfat (SO42−) og nitrat (NO3−) ioner, og en lang række beviser indikerer, at en betydelig del af disse arter kommer fra nitrogen og svovlfilter produceret under forbrænding af fossile brændstoffer. Ved de høje temperaturer, der findes i både forbrændingsmotorer og lynudladninger, reagerer molekylært nitrogen og molekylært ilt for at give salpetersyre:

\

salpetersyre reagerer derefter hurtigt med overskydende ilt for at give kvælstofsyre, den forbindelse, der er ansvarlig for den brune farve af smog:

\

når nitrogensyre opløses i vand, danner den en 1:1 blanding af salpetersyre og salpetersyre:

\

fordi molekylært ilt til sidst iltner salpetersyre til salpetersyre, er den samlede reaktion

\

store mængder svovlsyre altid blevet frigivet i atmosfæren af naturlige kilder, såsom vulkaner, skovbrande og mikrobiel henfald af organiske materialer, men i det meste af Jordens registrerede historie holdt den naturlige cykling af svovl fra atmosfæren til oceaner og klipper surheden af regn og sne i skak. Desværre synes afbrændingen af fossile brændstoffer at have tippet balancen. Mange kul indeholder så meget som 5% -6% pyrit (FeS2) efter masse, og brændselsolier indeholder typisk mindst 0,5% svovl efter masse. Siden midten af det 19.århundrede er disse brændstoffer blevet brændt i enorm skala for at levere energibehovet i vores moderne industrisamfund og frigive titusinder af tons ekstra SO2 i atmosfæren årligt. Derudover producerer ristning af sulfidmalm for at opnå metaller såsom sinc og kobber store mængder SO2 via reaktioner såsom

\

uanset kilden opløses SO2 i regnvand for at give svovlsyre (ligning \(\ref{5.7.7}\)), Som til sidst iltes af ilt til svovlsyre (ligning \(\ref{5.7.8}\)):

\

\

bekymringer over de skadelige virkninger af sur regn har ført til et stærkt pres på industrien for at minimere frigivelsen af SO2 og NO. For eksempel bruger kulbrændende kraftværker nu SO2 “skrubbere”, som fælder SO2 ved sin reaktion med kalk (CaO) for at producere calciumsulfitdihydrat (CaSO3·2H2O; figur \(\Sideindeks{1}\)).

den skade, som sur regn gør på kalksten og marmorbygninger og skulpturer, skyldes en klassisk syre–base-reaktion. Marmor og kalksten består begge af calciumcarbonat (CaCO3), et salt afledt af den svage syre H2CO3. Reaktionen af en stærk syre med et salt af en svag syre går til færdiggørelse. Således kan vi skrive reaktionen af kalksten eller marmor med fortyndet svovlsyre som følger:

\

fordi CaSO4 er sparsomt opløseligt i vand, er nettoresultatet af denne reaktion at opløse marmor eller kalksten. Lincoln Memorial, som blev bygget i 1922, viser allerede betydelige skader fra syreregn, og mange ældre genstande udviser endnu større skade (figur \(\Sideindeks{2}\)). Metalgenstande kan også lide skade fra sur regn gennem iltningsreduktionsreaktioner.

de biologiske virkninger af sur regn er mere komplekse. Som angivet i figur 4.15 har biologiske væsker, såsom blod, en pH på 7-8. Organismer som fisk kan opretholde deres indre pH i vand, der har en pH i området 6,5–8,5. Hvis den eksterne pH er for lav, kan mange vandorganismer imidlertid ikke længere opretholde deres indre pH, så de dør. En pH på 4 eller derunder er dødelig for stort set alle fisk, de fleste hvirvelløse dyr og mange mikroorganismer. Som et resultat af sur regn, pH i nogle søer i Europa og USA er faldet til under 4. Nylige undersøgelser tyder på, at op til 6% af søerne i Adirondack-bjergene og 4% af søerne i Sverige og Norge i det væsentlige er døde og ikke indeholder fisk. Ingen af stederne indeholder store koncentrationer af industri, men Ny York ligger medvind i det industrielle Midtvesten, og Skandinavien er medvind i de mest industrialiserede regioner i Vesteuropa. Begge regioner ser ud til at have båret hovedparten af den forurening, der produceres af deres naboer med vinden. En mulig måde at imødegå virkningerne af sur regn i isolerede søer er ved at tilføje store mængder finmalet kalksten, som neutraliserer syren via reaktionen vist i ligning \(\ref{5.7.9}\).

en anden vigtig måde, hvorpå sur regn kan forårsage biologisk skade, er mindre direkte. Træer og mange andre planter er følsomme over for tilstedeværelsen af aluminium og andre metaller i grundvandet. Under normale omstændigheder er aluminiumhydroksid, som er til stede i nogle jordarter, uopløseligt. Ved lavere pH-værdier opløses Al(OH)3 imidlertid via følgende reaktion:

\

resultatet er øgede niveauer af Al3+ ioner i grundvand. Fordi AL3 + ion er giftig for planter, kan høje koncentrationer påvirke plantevæksten. Syreregn kan også svække planternes blade og rødder så meget, at planterne ikke er i stand til at modstå andre belastninger. Kombinationen af de to effekter kan forårsage betydelig skade på etablerede skove, såsom sort skov i Tyskland og skovene i det nordøstlige USA og Canada og andre lande (figur \(\Sideindeks{3}\)).