zuur-base reacties kunnen een sterk milieueffect hebben. Bijvoorbeeld, een dramatische toename van de zuurgraad van regen en sneeuw in de afgelopen 150 jaar is het oplossen van marmer en kalksteen oppervlakken, het versnellen van de corrosie van metalen objecten, en het verlagen van de pH van natuurlijke wateren. Dit milieuprobleem wordt zure regen genoemd en heeft belangrijke gevolgen voor alle levende organismen. Om zure regen te begrijpen vereist een begrip van zuur-base reacties in waterige oplossing.

De term zure regen is eigenlijk enigszins misleidend omdat zelfs zuiver regenwater dat wordt opgevangen in gebieden ver van de beschaving, licht zuur is (pH ≈ 5,6) als gevolg van opgeloste koolstofdioxide, dat reageert met water om koolzuur, een zwak zuur, te geven.:de Engelse chemicus Robert Angus Smith wordt over het algemeen gecrediteerd met de term acid rain in 1872 om de verhoogde zuurgraad van de regen in Britse industriële centra (zoals Manchester) te beschrijven, die blijkbaar werd veroorzaakt door de ongebreidelde excessen van de vroege industriële revolutie, hoewel het verband nog niet werd begrepen. Op dat moment was er geen goede manier om waterstofionconcentraties te meten, dus het is moeilijk om de werkelijke pH van de regen waargenomen door Smith te weten. Typische pH-waarden voor regen in de continentale Verenigde Staten variëren nu van 4 tot 4.5, met waarden zo laag als 2.0 gerapporteerd voor gebieden zoals Los Angeles. Regen met een pH van 2 is qua zuurgraad vergelijkbaar met citroensap, en zelfs “normale” regen is nu zo zuur als tomatensap of zwarte koffie.

Wat is de bron van de verhoogde zuurgraad bij regen en sneeuw? Chemische analyse toont de aanwezigheid van grote hoeveelheden sulfaat (SO42−) en nitraat (NO3−) ionen, en een breed scala van gegevens wijst erop dat een aanzienlijk deel van deze soorten afkomstig zijn van stikstof en zwaveloxiden geproduceerd tijdens de verbranding van fossiele brandstoffen. Bij de hoge temperaturen die zowel in verbrandingsmotoren als in bliksemontladingen worden aangetroffen, reageren moleculaire stikstof en moleculaire zuurstof tot stikstofmonoxide:

\

stikstofmonoxide reageert vervolgens snel met overmaat zuurstof tot stikstofdioxide, de verbinding die verantwoordelijk is voor de bruine kleur van smog:

\

wanneer stikstofdioxide oplost in water, vormt het een 1: 1 mengsel van salpeterzuur en salpeterzuur:

\

omdat moleculaire zuurstof salpeterzuur uiteindelijk oxideert tot salpeterzuur, is de algemene reactie

\

grote hoeveelheden zwaveldioxide zijn altijd vrijgekomen in de atmosfeer door natuurlijke bronnen, zoals vulkanen, bosbranden en het microbiële verval van organische materialen, maar voor het grootste deel van de geregistreerde geschiedenis van de aarde hield de natuurlijke kringloop van zwavel uit de atmosfeer in oceanen en rotsen de zuurgraad van regen en sneeuw onder controle. Helaas lijkt de verbranding van fossiele brandstoffen de balans te hebben doen omslaan. Veel kolen bevatten maar liefst 5% -6% pyriet (FeS2) in Massa, en stookolie bevatten meestal ten minste 0,5% zwavel in massa. Sinds het midden van de 19e eeuw worden deze brandstoffen op grote schaal verbrand om te voorzien in de energiebehoeften van onze moderne industriële samenleving, waardoor jaarlijks tientallen miljoenen tonnen extra SO2 in de atmosfeer terechtkomen. Bovendien produceert braadsulfideertsen om metalen zoals zink en koper te verkrijgen grote hoeveelheden SO2 via reacties zoals

\

ongeacht de bron, de SO2 lost op in regenwater om zwavelzuur te verkrijgen (vergelijking \(\ref{5.7.7}\)), die uiteindelijk door zuurstof wordt geoxideerd tot zwavelzuur (vergelijking \(\ref{5.7.8}\)):

\

\

bezorgdheid over de schadelijke effecten van zure regen heeft geleid tot een sterke druk op de industrie om het vrijkomen van SO2 en NO tot een minimum te beperken. Zo gebruiken kolencentrales nu SO2 “gaswassers”, die SO2 door zijn reactie met kalk (CaO) opvangen om calciumsulfietdihydraat te produceren (CaSO3·2H2O; figuur \(\Paginindex{1}\)).

de schade die zure regen veroorzaakt aan kalkstenen en marmeren gebouwen en sculpturen is het gevolg van een klassieke zuur–base reactie. Marmer en kalksteen bestaan beide uit calciumcarbonaat (CaCO3), een zout afgeleid van het zwakke zuur H2CO3. De reactie van een sterk zuur met een zout van een zwak zuur gaat tot voltooiing. Zo kunnen we de reactie van kalksteen of marmer met verdund zwavelzuur als volgt opschrijven:

\

omdat CaSO4 weinig oplosbaar is in water, is het netto resultaat van deze reactie het marmer of kalksteen oplossen. Het Lincoln Memorial in Washington, DC, dat in 1922 werd gebouwd, vertoont al aanzienlijke schade door zure regen, en veel oudere objecten vertonen nog grotere schade (figuur \(\Paginindex{2}\)). Metalen voorwerpen kunnen ook schade oplopen door zure regen door oxidatiereacties.

de biologische effecten van zure regen zijn complexer. Zoals aangegeven in Figuur 4.15, hebben biologische vloeistoffen, zoals bloed, een pH van 7-8. Organismen zoals vissen kunnen hun interne pH handhaven in water dat een pH tussen 6,5 en 8,5 heeft. Als de uitwendige pH echter te laag is, kunnen veel waterorganismen hun inwendige pH niet langer handhaven, waardoor ze sterven. Een pH van 4 of lager is fataal voor vrijwel alle vissen, de meeste ongewervelde dieren en vele micro-organismen. Als gevolg van zure regen Is de pH van sommige meren in Europa en de Verenigde Staten gedaald tot onder de 4. Uit recente onderzoeken blijkt dat tot 6% van de meren in de Adirondack Mountains in de staat New York en 4% van de meren in Zweden en Noorwegen in wezen dood zijn en geen vis bevatten. Geen van beide locaties bevat grote concentraties van de industrie, maar New York ligt benedenwinds van de industriële Midwest, en Scandinavië is benedenwinds van de meest geïndustrialiseerde regio ‘ s van West-Europa. Beide regio ‘ s lijken het zwaarst te hebben geleden door de vervuiling veroorzaakt door hun tegenwind buren. Een mogelijke manier om de effecten van zure regen in geïsoleerde meren tegen te gaan is door het toevoegen van grote hoeveelheden fijngemalen kalksteen, die het zuur neutraliseert via de reactie in vergelijking \(\ref{5.7.9}\).

een tweede belangrijke manier waarop zure regen biologische schade kan veroorzaken is minder direct. Bomen en vele andere planten zijn gevoelig voor de aanwezigheid van aluminium en andere metalen in grondwater. Onder normale omstandigheden is aluminiumhydroxide, dat in sommige bodems aanwezig is, onoplosbaar. Bij lagere pH-waarden lost Al(OH)3 echter op via de volgende reactie:

\

het resultaat is verhoogde niveaus van Al3+ – ionen in grondwater. Omdat het AL3 + – ion giftig is voor planten, kunnen hoge concentraties de plantengroei beïnvloeden. Zure regen kan ook de bladeren en wortels van planten zo sterk verzwakken dat de planten niet in staat zijn om andere spanningen te weerstaan. De combinatie van de twee effecten kan aanzienlijke schade aan gevestigde bossen veroorzaken, zoals het Zwarte Woud in Duitsland en de bossen in het noordoosten van de Verenigde Staten en Canada en andere landen (figuur \(\Paginindex{3}\)).