happo–emäsreaktioilla voi olla voimakas ympäristövaikutus. Esimerkiksi sateen ja lumen happamuuden voimakas lisääntyminen viimeisten 150 vuoden aikana liuottaa marmori-ja kalkkikivipintoja, kiihdyttää metalliesineiden korroosiota ja laskee luonnonvesien pH-arvoa. Tätä ympäristöongelmaa kutsutaan happosateeksi, ja sillä on merkittäviä seurauksia kaikille eliöille. Happosateen ymmärtäminen edellyttää happo–emäsreaktioiden ymmärtämistä vesiliuoksessa.

termi happosade on itse asiassa hieman harhaanjohtava, koska jopa sivilisaatiosta etäällä olevilla alueilla kerätty puhdas sadevesi on lievästi hapanta (pH ≈ 5,6) johtuen liuenneesta hiilidioksidista, joka reagoi veden kanssa muodostaen hiilihapon, heikon hapon:

\

englantilaisen kemistin Robert Angus Smithin katsotaan yleisesti keksineen vuonna 1872 lauseen acid rain kuvaamaan sateen happamuutta Britannian teollisuuskeskuksissa (kuten Manchesterissa), mikä ilmeisesti johtui varhaisen teollisen vallankumouksen hillittömistä ylilyönneistä, joskaan yhteyttä ei vielä ymmärretty. Tuolloin vetyionipitoisuuksia ei pystytty mittaamaan kunnolla, joten Smithin havaitsemaa sateen todellista pH-arvoa on vaikea tietää. Manner – Yhdysvalloissa sateen tyypilliset pH-arvot vaihtelevat nykyään välillä 4-4.5, joiden arvot ovat niinkin alhaiset kuin 2.0 raportoitu alueilla, kuten Los Angeles. Sade, jonka pH on 2, on happamuudeltaan verrattavissa sitruunamehuun, ja jopa” normaali ” sade on nyt yhtä hapokas kuin tomaattimehu tai musta kahvi.

mistä sateen ja lumen lisääntynyt happamuus johtuu? Kemiallinen analyysi osoittaa, että läsnä on suuria määriä sulfaatti (SO42−) ja nitraatti (NO3 -) ioneja, ja laaja valikoima todisteita osoittaa, että merkittävä osa näistä lajeista on peräisin typen ja rikin oksideja, jotka on tuotettu fossiilisten polttoaineiden palamisen aikana. Korkeissa lämpötiloissa, joita esiintyy sekä polttomoottoreissa että salamapurkauksissa, molekylaarinen typpi ja molekylaarinen happi reagoivat muodostaen typpioksidia:

\

typpioksidi reagoi sitten nopeasti ylimääräisen hapen kanssa muodostaen typpidioksidia, savusumun ruskeasta väristä vastaava yhdiste:

\

kun typpidioksidi liukenee veteen, se muodostaa typpihapon ja typpihapon 1:1-seoksen:

\

koska molekylaarinen happi lopulta hapettaa typpihapoksi, kokonaisreaktio on

\

suuret määrät rikkidioksidia on aina vapautunut ilmakehään luonnollisista lähteistä, kuten tulivuorista, metsäpaloista ja orgaanisten materiaalien mikrobien hajoamisesta, mutta suurimman osan maan kirjattua historiaa rikin luonnollinen kierto ilmakehästä meriin ja kiviin piti sateen ja lumen happamuuden kurissa. Valitettavasti fossiilisten polttoaineiden polttaminen näyttää kallistaneen tasapainoa. Monet hiilet sisältävät jopa 5-6 painoprosenttia pyriittiä (FeS2) ja polttoöljyt tyypillisesti vähintään 0,5 painoprosenttia rikkiä. 1800-luvun puolivälistä lähtien näitä polttoaineita on poltettu valtavassa mitassa nykyaikaisen teollisuusyhteiskuntamme energiantarpeen tyydyttämiseksi vapauttaen kymmeniä miljoonia tonneja ylimääräistä SO2: ta ilmakehään vuosittain. Lisäksi sulfidimalmien paahtaminen metallien kuten sinkin ja kuparin saamiseksi tuottaa suuria määriä SO2: ta esimerkiksi

\

lähteestä riippumatta SO2 liukenee sadeveteen muodostaen rikkihappoa (yhtälö \(\ref{5.7.7}\)), jonka happi lopulta hapettaa rikkihapoksi (yhtälö \(\ref{5.7.8}\):

\

\

huoli happosateen haitallisista vaikutuksista on johtanut teollisuuteen voimakkaaseen paineeseen minimoida SO2: n ja NO: n vapautuminen. Esimerkiksi hiilivoimaloissa käytetään nykyään SO2 ”pesureita”, jotka sitovat SO2: n reaktiolla kalkin (CaO) kanssa muodostaen kalsiumsulfiittidihydraattia (CaSO3·2H2O; Kuva \(\PageIndex{1}\)).

happosateen kalkkikivi–ja marmorirakennuksille ja veistoksille aiheuttamat vauriot johtuvat klassisesta happo-emäs-reaktiosta. Marmori ja kalkkikivi koostuvat molemmat kalsiumkarbonaatista (CaCO3), joka on suola, joka on peräisin heikosta haposta H2CO3. Vahvan hapon reaktio heikon hapon suolan kanssa menee loppuun. Näin voidaan kirjoittaa kalkkikiven tai marmorin reaktio laimean rikkihapon kanssa seuraavasti:

\

koska CaSO4 liukenee niukasti veteen, tämän reaktion lopputuloksena marmori tai kalkkikivi liukenee. Lincolnin muistomerkki Washington DC: ssä, joka rakennettiin vuonna 1922, osoittaa jo merkittäviä vaurioita happosateesta, ja monet vanhemmat esineet ovat näytteillä vieläkin suurempia vaurioita (Kuva \(\PageIndex{2}\)). Metalliesineet voivat myös kärsiä happosateen aiheuttamia vaurioita hapetus–pelkistysreaktioiden kautta.

happosateiden biologiset vaikutukset ovat monimutkaisempia. Kuten kuvassa 4.15 on esitetty, biologisten nesteiden, kuten veren, pH on 7-8. Eliöt kuten kalat voivat säilyttää sisäisen pH: nsa vedessä, jonka pH on välillä 6,5–8,5. Jos ulkoinen pH on liian alhainen, monet vesieliöt eivät kuitenkaan pysty enää säilyttämään sisäistä pH: taan, joten ne kuolevat. PH 4 tai alempi on kohtalokas lähes kaikille kaloille, useimmille selkärangattomille eläimille ja monille pieneliöille. Happosateiden seurauksena joidenkin Euroopan ja Yhdysvaltojen järvien pH on laskenut alle 4: n. Tuoreiden tutkimusten mukaan jopa 6 prosenttia New Yorkin osavaltion pohjoisosan Adirondack-vuoriston järvistä ja 4 prosenttia Ruotsin ja Norjan järvistä on pääosin kuolleita eikä niissä ole lainkaan kaloja. Kummassakaan paikassa ei ole suuria teollisuuskeskittymiä, mutta New York sijaitsee teollisen Keskilännen alapuolella ja Skandinavia Länsi-Euroopan teollistuneimpien alueiden alapuolella. Molemmat alueet näyttävät kärsineen eniten vastatuulessa olevien naapureidensa aiheuttamasta saasteesta. Yksi mahdollinen tapa torjua happosateiden vaikutuksia yksittäisissä järvissä on lisätä suuria määriä hienoksi jauhettua kalkkikiveä, joka neutraloi hapon yhtälössä \(\ref{5.7.9}\) esitetyllä reaktiolla.

toinen merkittävä tapa, jolla happosade voi aiheuttaa biologista vahinkoa, on vähemmän suora. Puut ja monet muut kasvit ovat herkkiä alumiinin ja muiden metallien esiintymiselle pohjavedessä. Normaalioloissa alumiinihydroksidi, jota esiintyy joissakin maaperissä, on liukenematonta. Alhaisemmilla pH-arvoilla Al (OH)3 kuitenkin liukenee seuraavalla reaktiolla:

\

tuloksena on AL3+ – ionien lisääntynyt määrä pohjavedessä. Koska AL3 + – ioni on myrkyllinen kasveille, suuret pitoisuudet voivat vaikuttaa kasvien kasvuun. Happosade voi myös heikentää kasvien lehtiä ja juuria niin paljon, etteivät kasvit kestä muita rasituksia. Näiden kahden ilmiön yhteisvaikutus voi aiheuttaa merkittävää vahinkoa vakiintuneille metsille, kuten Schwarzwaldille Saksassa sekä Yhdysvaltojen ja Kanadan koillisosien metsille ja muille maille (Kuva \(\PageIndex{3}\)).

käsitteelliset ongelmat