Le reazioni acido–base possono avere un forte impatto ambientale. Ad esempio, un drammatico aumento dell’acidità della pioggia e della neve negli ultimi 150 anni sta dissolvendo le superfici di marmo e calcare, accelerando la corrosione degli oggetti metallici e diminuendo il pH delle acque naturali. Questo problema ambientale è chiamato pioggia acida e ha conseguenze significative per tutti gli organismi viventi. Per comprendere le piogge acide è necessaria una comprensione delle reazioni acido-base in soluzione acquosa.

Il termine pioggia acida è in realtà un po ‘ fuorviante perché anche l’acqua piovana pura raccolta in aree remote dalla civiltà è leggermente acida (pH ≈ 5.6) a causa dell’anidride carbonica disciolta, che reagisce con l’acqua per dare acido carbonico, un acido debole:

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Il chimico inglese Robert Angus Smith è generalmente accreditato coniare la frase pioggia acida nel 1872 per descrivere l’aumentata acidità della pioggia nei centri industriali britannici (come Manchester), apparentemente causata dagli eccessi sfrenati della prima rivoluzione industriale, anche se la connessione non era ancora stata compresa. A quel tempo, non c’era un buon modo per misurare le concentrazioni di ioni idrogeno, quindi è difficile conoscere il pH effettivo della pioggia osservata da Smith. Valori di pH tipici per la pioggia negli Stati Uniti continentali ora vanno da 4 a 4.5, con valori a partire da 2.0 segnalati per aree come Los Angeles. La pioggia con un pH di 2 è paragonabile in acidità al succo di limone, e anche la pioggia “normale” è ora acida come il succo di pomodoro o il caffè nero.

Qual è la fonte dell’acidità aumentata in caso di pioggia e neve? L’analisi chimica mostra la presenza di grandi quantità di ioni solfato (SO42−) e nitrato (NO3−) e un’ampia varietà di prove indica che una frazione significativa di queste specie proviene da ossidi di azoto e zolfo prodotti durante la combustione di combustibili fossili. Alle alte temperature che si trovano in entrambi i motori a combustione interna e scariche di fulmini, azoto molecolare, molecolare e ossigeno reagiscono per dare l’ossido nitrico:

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ossido Nitrico reagisce rapidamente con l’ossigeno in eccesso per dare il biossido di azoto, il composto responsabile del colore marrone di smog:

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Quando il biossido di azoto si scioglie in acqua, forma una miscela 1:1 di acido nitroso e acido nitrico:

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Poiché l’ossigeno molecolare alla fine si ossida acido nitroso nitrico, acido, la reazione complessiva è:

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Grandi quantità di biossido di zolfo sono sempre stati rilasciati in atmosfera da sorgenti naturali, come i vulcani, incendi boschivi, e microbica di decadimento di materiali organici, ma per la maggior parte della Terra di storia naturale di ciclismo di zolfo dall’atmosfera, negli oceani e rocce mantenuto l’acidità della pioggia e la neve in controllo. Purtroppo, la combustione di combustibili fossili sembra aver ribaltato l’equilibrio. Molti carboni contengono fino al 5% -6% di pirite (FeS2) in massa e gli oli combustibili contengono in genere almeno lo 0,5% di zolfo in massa. Dalla metà del 19 ° secolo, questi combustibili sono stati bruciati su vasta scala per fornire il fabbisogno energetico della nostra moderna società industriale, rilasciando decine di milioni di tonnellate di SO2 aggiuntivo nell’atmosfera ogni anno. Inoltre, arrostire i minerali di solfuro per ottenere metalli come zinco e rame produce grandi quantità di SO2 attraverso reazioni come

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Indipendentemente dalla fonte, l’SO2 si dissolve nell’acqua piovana per dare acido solforoso (Equazione \(\ref{5.7.7}\)), che alla fine viene ossidato dall’ossigeno in acido solforico (Equazione \(\ref{5.7.8}\)):

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Le preoccupazioni per gli effetti nocivi delle piogge acide hanno portato a forti pressioni sull’industria per ridurre al minimo il rilascio di SO2 e NO. Ad esempio, le centrali elettriche a carbone ora utilizzano SO2 “scrubber”, che intrappolano SO2 dalla sua reazione con calce (CaO) per produrre solfito di calcio diidrato (CaSO3·2H2O; Figura \(\PageIndex{1}\)).

Il danno che la pioggia acida provoca agli edifici e alle sculture di calcare e marmo è dovuto ad una classica reazione acido–base. Marmo e calcare sono entrambi costituiti da carbonato di calcio (CaCO3), un sale derivato dall’acido debole H2CO3. La reazione di un acido forte con un sale di un acido debole va a completamento. Quindi possiamo scrivere la reazione di calcare o marmo con acido solforico diluito come segue:

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Poiché CaSO4 è scarsamente solubile in acqua, il risultato netto di questa reazione è quello di sciogliere il marmo o il calcare. Il Lincoln Memorial di Washington, DC, che è stato costruito nel 1922, mostra già danni significativi dalle piogge acide, e molti oggetti più vecchi stanno esibendo danni ancora maggiori (Figura \(\PageIndex{2}\)). Gli oggetti metallici possono anche subire danni da piogge acide attraverso reazioni di riduzione dell’ossidazione.

Gli effetti biologici delle piogge acide sono più complessi. Come indicato nella Figura 4.15, i fluidi biologici, come il sangue, hanno un pH di 7-8. Organismi come i pesci possono mantenere il loro pH interno in acqua che ha un pH nell’intervallo di 6,5–8,5. Se il pH esterno è troppo basso, tuttavia, molti organismi acquatici non riescono più a mantenere il loro pH interno, quindi muoiono. Un pH di 4 o inferiore è fatale per quasi tutti i pesci, la maggior parte degli animali invertebrati e molti microrganismi. A causa delle piogge acide, il pH di alcuni laghi in Europa e negli Stati Uniti è sceso sotto 4. Recenti indagini suggeriscono che fino al 6% dei laghi nelle montagne Adirondack dello stato di New York e il 4% dei laghi in Svezia e Norvegia sono essenzialmente morti e non contengono pesce. Nessuna delle due località contiene grandi concentrazioni di industria, ma New York si trova sottovento del Midwest industriale, e la Scandinavia è sottovento delle regioni più industrializzate dell’Europa occidentale. Entrambe le regioni sembrano aver sopportato il peso dell’inquinamento prodotto dai loro vicini di bolina. Un modo possibile per contrastare gli effetti delle piogge acide nei laghi isolati è l’aggiunta di grandi quantità di calcare finemente macinato, che neutralizza l’acido tramite la reazione mostrata nell’equazione \(\ref{5.7.9}\).

Un secondo modo importante in cui le piogge acide possono causare danni biologici è meno diretto. Alberi e molte altre piante sono sensibili alla presenza di alluminio e altri metalli nelle acque sotterranee. In circostanze normali, l’idrossido di alluminio , che è presente in alcuni terreni, è insolubile. A valori di pH più bassi, tuttavia, Al (OH) 3 si dissolve tramite la seguente reazione:

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Il risultato è un aumento dei livelli di ioni Al3+ nelle acque sotterranee. Poiché lo ion Al3 + è tossico per le piante, alte concentrazioni possono influenzare la crescita delle piante. Le piogge acide possono anche indebolire le foglie e le radici delle piante così tanto che le piante non sono in grado di sopportare altri stress. La combinazione dei due effetti può causare danni significativi alle foreste consolidate, come la Foresta Nera in Germania e le foreste degli Stati Uniti nordorientali e del Canada e di altri paesi [Figura \(\PageIndex{3}\)].