Les réactions acide–base peuvent avoir un fort impact environnemental. Par exemple, une augmentation spectaculaire de l’acidité de la pluie et de la neige au cours des 150 dernières années dissout les surfaces de marbre et de calcaire, accélère la corrosion des objets métalliques et diminue le pH des eaux naturelles. Ce problème environnemental est appelé pluies acides et a des conséquences importantes pour tous les organismes vivants. Pour comprendre les pluies acides, il faut comprendre les réactions acide-base en solution aqueuse.

Le terme pluie acide est en fait quelque peu trompeur car même l’eau de pluie pure recueillie dans des zones éloignées de la civilisation est légèrement acide (pH ≈ 5,6) en raison du dioxyde de carbone dissous, qui réagit avec l’eau pour donner de l’acide carbonique, un acide faible:

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Le chimiste anglais Robert Angus Smith est généralement crédité d’avoir inventé l’expression pluie acide en 1872 pour décrire l’acidité accrue de la pluie dans les centres industriels britanniques (tels que Manchester), qui a apparemment été causée par les excès débridés du début de la Révolution industrielle, bien que le lien n’ait pas encore été compris. À cette époque, il n’y avait pas de bon moyen de mesurer les concentrations d’ions hydrogène, il est donc difficile de connaître le pH réel de la pluie observée par Smith. Les valeurs de pH typiques pour la pluie dans la zone continentale des États-Unis vont maintenant de 4 à 4.5, avec des valeurs aussi basses que 2,0 rapportées pour des régions telles que Los Angeles. La pluie avec un pH de 2 est comparable en acidité au jus de citron, et même la pluie « normale” est maintenant aussi acide que le jus de tomate ou le café noir.

Quelle est la source de l’augmentation de l’acidité sous la pluie et la neige? L’analyse chimique montre la présence de grandes quantités d’ions sulfate (SO42−) et nitrate (NO3−), et une grande variété de preuves indique qu’une fraction importante de ces espèces provient d’oxydes d’azote et de soufre produits lors de la combustion de combustibles fossiles. Aux températures élevées des moteurs à combustion interne et des décharges de foudre, l’azote moléculaire et l’oxygène moléculaire réagissent pour donner de l’oxyde nitrique:

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L’oxyde nitrique réagit ensuite rapidement avec l’excès d’oxygène pour donner du dioxyde d’azote, le composé responsable de la couleur brune du smog:

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Lorsque le dioxyde d’azote se dissout dans l’eau, il forme un mélange 1:1 d’acide nitreux et d’acide nitrique:

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Parce que l’oxygène moléculaire finit par oxyder l’acide nitreux en acide nitrique, la réaction globale est

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De grandes quantités de dioxyde de soufre ont toujours été libérées dans l’atmosphère par des sources naturelles, telles que les volcans, les feux de forêt et la désintégration microbienne des matières organiques, mais pendant la majeure partie de l’histoire de la Terre, le cycle naturel du soufre de l’atmosphère dans les océans et les roches a contrôlé l’acidité de la pluie et de la neige. Malheureusement, la combustion de combustibles fossiles semble avoir fait pencher la balance. De nombreux charbons contiennent jusqu’à 5% -6% de pyrite (FeS2) en masse, et les fiouls contiennent généralement au moins 0,5% de soufre en masse. Depuis le milieu du XIXe siècle, ces combustibles ont été brûlés à grande échelle pour répondre aux besoins énergétiques de notre société industrielle moderne, libérant chaque année des dizaines de millions de tonnes de SO2 supplémentaires dans l’atmosphère. De plus, la torréfaction des minerais sulfurés pour obtenir des métaux tels que le zinc et le cuivre produit de grandes quantités de SO2 via des réactions telles que

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Quelle que soit la source, le SO2 se dissout dans l’eau de pluie pour donner de l’acide sulfureux (Équation \(\ref{5.7.7}\)), qui est finalement oxydé par l’oxygène en acide sulfurique (Équation \(\ref{5.7.8}\)):

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Les préoccupations concernant les effets nocifs des pluies acides ont conduit à une forte pression sur l’industrie pour minimiser la libération de SO2 et de NO. Par exemple, les centrales à charbon utilisent maintenant des « épurateurs” de SO2, qui piègent le SO2 par sa réaction avec la chaux (CaO) pour produire du sulfite de calcium dihydraté (CaSO3·2H2O; Figure\(\PageIndex{1}\)).

Les dommages causés par les pluies acides aux bâtiments et sculptures en calcaire et en marbre sont dus à une réaction acide–base classique. Le marbre et le calcaire sont tous deux constitués de carbonate de calcium (CaCO3), un sel dérivé de l’acide faible H2CO3. La réaction d’un acide fort avec un sel d’un acide faible se termine. Ainsi, on peut écrire la réaction du calcaire ou du marbre avec de l’acide sulfurique dilué comme suit:

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Comme le CaSO4 est peu soluble dans l’eau, le résultat net de cette réaction est de dissoudre le marbre ou le calcaire. Le Lincoln Memorial à Washington, DC, qui a été construit en 1922, montre déjà des dommages importants causés par les pluies acides, et de nombreux objets plus anciens présentent des dommages encore plus importants (Figure \(\PageIndex{2}\)). Les objets métalliques peuvent également subir des dommages causés par les pluies acides par des réactions d’oxydoréduction.

Les effets biologiques des pluies acides sont plus complexes. Comme l’indique la figure 4.15, les fluides biologiques, tels que le sang, ont un pH de 7 à 8. Les organismes tels que les poissons peuvent maintenir leur pH interne dans une eau dont le pH est compris entre 6,5 et 8,5. Cependant, si le pH externe est trop bas, de nombreux organismes aquatiques ne peuvent plus maintenir leur pH interne, ils meurent donc. Un pH de 4 ou moins est fatal pour pratiquement tous les poissons, la plupart des animaux invertébrés et de nombreux microorganismes. En raison des pluies acides, le pH de certains lacs en Europe et aux États-Unis est tombé en dessous de 4. Des relevés récents suggèrent que jusqu’à 6 % des lacs des montagnes Adirondacks du nord de l’État de New York et 4 % des lacs de Suède et de Norvège sont essentiellement morts et ne contiennent aucun poisson. Aucun des deux sites ne contient de grandes concentrations d’industrie, mais New York se trouve sous le vent du Midwest industriel et la Scandinavie est sous le vent des régions les plus industrialisées d’Europe occidentale. Les deux régions semblent avoir fait les frais de la pollution produite par leurs voisins au vent. Une façon possible de contrer les effets des pluies acides dans les lacs isolés est d’ajouter de grandes quantités de calcaire finement broyé, qui neutralise l’acide par la réaction indiquée dans l’équation \(\ref{5.7.9}\).

Un deuxième moyen majeur par lequel les pluies acides peuvent causer des dommages biologiques est moins direct. Les arbres et de nombreuses autres plantes sont sensibles à la présence d’aluminium et d’autres métaux dans les eaux souterraines. Dans des circonstances normales, l’hydroxyde d’aluminium, présent dans certains sols, est insoluble. Cependant, à des valeurs de pH inférieures, Al(OH)3 se dissout par la réaction suivante:

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Il en résulte une augmentation des niveaux d’ions Al3 + dans les eaux souterraines. Parce que l’ion Al3 + est toxique pour les plantes, des concentrations élevées peuvent affecter la croissance des plantes. Les pluies acides peuvent également affaiblir les feuilles et les racines des plantes au point que les plantes sont incapables de résister à d’autres stress. La combinaison des deux effets peut causer des dommages importants aux forêts établies, telles que la forêt-Noire en Allemagne et les forêts du nord-est des États-Unis et du Canada et d’autres pays (Figure \(\PageIndex{3}\)).