Säure-Base-Reaktionen können starke Umweltauswirkungen haben. Zum Beispiel löst ein dramatischer Anstieg des Säuregehalts von Regen und Schnee in den letzten 150 Jahren Marmor- und Kalksteinoberflächen auf, beschleunigt die Korrosion von Metallgegenständen und verringert den pH-Wert natürlicher Gewässer. Dieses Umweltproblem wird als saurer Regen bezeichnet und hat erhebliche Folgen für alle lebenden Organismen. Um sauren Regen zu verstehen, ist ein Verständnis der Säure–Base-Reaktionen in wässriger Lösung erforderlich.

Der Begriff saurer Regen ist eigentlich etwas irreführend, da selbst reines Regenwasser, das in zivilisationsfernen Gebieten gesammelt wird, aufgrund gelösten Kohlendioxids, das mit Wasser zu Kohlensäure reagiert, leicht sauer ist (pH ≈ 5,6) eine schwache Säure:Dem englischen Chemiker Robert Angus Smith wird allgemein zugeschrieben, dass er 1872 den Begriff saurer Regen geprägt hat, um den erhöhten Säuregehalt des Regens in britischen Industriezentren (wie Manchester) zu beschreiben, der anscheinend durch die ungezügelten Exzesse der frühen industriellen Revolution verursacht wurde, obwohl der Zusammenhang noch nicht verstanden wurde. Zu dieser Zeit gab es keine gute Möglichkeit, Wasserstoffionenkonzentrationen zu messen, daher ist es schwierig, den tatsächlichen pH-Wert des von Smith beobachteten Regens zu ermitteln. Typische pH-Werte für regen in den kontinentalen Vereinigten Staaten reichen jetzt von 4 zu 4.5, mit Werten so niedrig wie 2.0 für Gebiete wie Los Angeles gemeldet. Regen mit einem pH-Wert von 2 ist in seiner Säure vergleichbar mit Zitronensaft, und selbst „normaler“ Regen ist jetzt so sauer wie Tomatensaft oder schwarzer Kaffee.

Was ist die Ursache für die erhöhte Säure in regen und Schnee? Die chemische Analyse zeigt das Vorhandensein großer Mengen von Sulfat− (SO42−) und Nitrat- (NO3-) Ionen, und eine Vielzahl von Beweisen zeigt, dass ein erheblicher Teil dieser Spezies aus Stickstoff- und Schwefeloxiden stammt, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Bei den hohen Temperaturen, die sowohl in Verbrennungsmotoren als auch in Blitzentladungen zu finden sind, reagieren molekularer Stickstoff und molekularer Sauerstoff zu Stickoxid:

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Stickoxid reagiert dann schnell mit überschüssigem Sauerstoff zu Stickstoffdioxid, der Verbindung, die für die braune Farbe von Smog verantwortlich ist:

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Wenn sich Stickstoffdioxid in Wasser löst, bildet es ein 1:1-Gemisch aus salpetriger Säure und Salpetersäure:Da molekularer Sauerstoff schließlich salpetrige Säure zu Salpetersäure oxidiert, ist die Gesamtreaktion:Große Mengen Schwefeldioxid wurden immer durch natürliche Quellen wie Vulkane, Waldbrände und den mikrobiellen Zerfall organischer Materialien in die Atmosphäre freigesetzt, aber für den größten Teil der aufgezeichneten Erdgeschichte hielt der natürliche Kreislauf von Schwefel aus der Atmosphäre in Ozeane und Gesteine den Säuregehalt von Regen und Schnee in Schach. Leider scheint die Verbrennung fossiler Brennstoffe das Gleichgewicht gekippt zu haben. Viele Kohlen enthalten so viel wie 5% -6% Pyrit (FeS2) nach Masse, und Heizöle enthalten typischerweise mindestens 0,5% Schwefel nach Masse. Seit Mitte des 19.Jahrhunderts werden diese Brennstoffe in großem Umfang verbrannt, um den Energiebedarf unserer modernen Industriegesellschaft zu decken und jährlich zig Millionen Tonnen zusätzliches SO2 in die Atmosphäre freizusetzen. Darüber hinaus erzeugt das Rösten von Sulfiderzen zur Gewinnung von Metallen wie Zink und Kupfer große Mengen an SO2 über Reaktionen wie

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Unabhängig von der Quelle löst sich das SO2 in Regenwasser zu schwefeliger Säure auf (Gleichung \(\ref{5.7.7}\)), das schließlich durch Sauerstoff zu Schwefelsäure oxidiert wird (Gleichung \(\ref{5.7.8}\)):

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Bedenken hinsichtlich der schädlichen Auswirkungen von saurem Regen haben zu einem starken Druck auf die Industrie geführt, die Freisetzung von SO2 und NO zu minimieren. Zum Beispiel verwenden Kohlekraftwerke jetzt SO2- „Wäscher“, die SO2 durch seine Reaktion mit Kalk (CaO) einfangen, um Calciumsulfitdihydrat (CaSO3 · 2H2O; Abbildung \ (\ pageIndex {1} \)) zu erzeugen.

Der Schaden, den saurer Regen Gebäuden und Skulpturen aus Kalkstein und Marmor zufügt, ist auf eine klassische Säure–Base-Reaktion zurückzuführen. Marmor und Kalkstein bestehen beide aus Calciumcarbonat (CaCO3), einem Salz, das aus der schwachen Säure H2CO3 gewonnen wird. Die Reaktion einer starken Säure mit einem Salz einer schwachen Säure geht zu Ende. So können wir die Reaktion von Kalkstein oder Marmor mit verdünnter Schwefelsäure wie folgt schreiben:

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Da CaSO4 in Wasser schwer löslich ist, besteht das Nettoergebnis dieser Reaktion darin, den Marmor oder Kalkstein aufzulösen. Das Lincoln Memorial in Washington, DC, das 1922 erbaut wurde, weist bereits erhebliche Schäden durch sauren Regen auf, und viele ältere Objekte weisen noch größere Schäden auf (Abbildung \(\pageIndex{2}\)). Metallobjekte können auch durch sauren Regen durch Oxidations–Reduktions-Reaktionen beschädigt werden.

Die biologischen Auswirkungen von saurem Regen sind komplexer. Wie in Abbildung 4.15 angegeben, haben biologische Flüssigkeiten wie Blut einen pH-Wert von 7-8. Organismen wie Fische können ihren inneren pH–Wert in Wasser mit einem pH-Wert im Bereich von 6,5 bis 8,5 aufrechterhalten. Wenn der äußere pH-Wert jedoch zu niedrig ist, können viele Wasserorganismen ihren inneren pH-Wert nicht mehr aufrechterhalten, so dass sie absterben. Ein pH-Wert von 4 oder niedriger ist für praktisch alle Fische, die meisten wirbellosen Tiere und viele Mikroorganismen tödlich. Infolge des sauren Regens ist der pH-Wert einiger Seen in Europa und den Vereinigten Staaten unter 4 gefallen. Jüngste Umfragen deuten darauf hin, dass bis zu 6% der Seen in den Adirondack Mountains im Bundesstaat New York und 4% der Seen in Schweden und Norwegen im Wesentlichen tot sind und keinen Fisch enthalten. Keiner der beiden Standorte enthält große Industriekonzentrationen, aber New York liegt im Wind des industriellen Mittleren Westens, und Skandinavien ist im Wind der am stärksten industrialisierten Regionen Westeuropas. Beide Regionen scheinen die Hauptlast der Verschmutzung durch ihre Nachbarn gegen den Wind getragen zu haben. Eine Möglichkeit, den Auswirkungen von saurem Regen in isolierten Seen entgegenzuwirken, besteht darin, große Mengen fein gemahlenen Kalksteins zuzusetzen, der die Säure über die in Gleichung \ (\ref {5.7.9}\) gezeigte Reaktion neutralisiert.

Ein zweiter wichtiger Weg, wie saurer Regen biologische Schäden verursachen kann, ist weniger direkt. Bäume und viele andere Pflanzen reagieren empfindlich auf Aluminium und andere Metalle im Grundwasser. Unter normalen Umständen ist Aluminiumhydroxid , das in einigen Böden vorhanden ist, unlöslich. Bei niedrigeren pH-Werten löst sich Al(OH)3 jedoch über folgende Reaktion auf:

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Die Folge sind erhöhte Gehalte an Al3+-Ionen im Grundwasser. Da das Al3 + -Ion für Pflanzen toxisch ist, können hohe Konzentrationen das Pflanzenwachstum beeinträchtigen. Saurer Regen kann auch die Blätter und Wurzeln von Pflanzen so sehr schwächen, dass die Pflanzen anderen Belastungen nicht standhalten können. Die Kombination der beiden Effekte kann etablierte Wälder wie den Schwarzwald in Deutschland und die Wälder im Nordosten der USA und Kanadas sowie andere Länder erheblich schädigen (Abbildung \(\pageIndex{3}\)).