reakcje kwasowo–zasadowe mogą mieć silny wpływ na środowisko. Na przykład dramatyczny wzrost kwasowości deszczu i śniegu w ciągu ostatnich 150 lat powoduje rozpuszczanie powierzchni marmuru i wapienia, przyspieszanie korozji przedmiotów metalowych i obniżenie pH naturalnych wód. Ten problem środowiskowy nazywany jest kwaśnym deszczem i ma istotne konsekwencje dla wszystkich żywych organizmów. Zrozumienie kwaśnych deszczy wymaga zrozumienia reakcji kwasowo-zasadowych w roztworze wodnym.

termin kwaśny deszcz jest w rzeczywistości nieco mylący, ponieważ nawet czysta woda deszczowa zebrana w obszarach oddalonych od cywilizacji jest lekko kwaśna (pH ≈ 5,6) z powodu rozpuszczonego dwutlenku węgla, który reaguje z wodą, dając kwas węglowy, słaby kwas:

\

angielski chemik Robert Angus Smith jest powszechnie uważany za twórcę frazy acid rain w 1872 roku, aby opisać zwiększoną kwasowość deszczu w brytyjskich centrach przemysłowych (takich jak Manchester), która najwyraźniej była spowodowana nieokiełznanymi ekscesami wczesnej rewolucji przemysłowej, chociaż związek ten nie został jeszcze zrozumiany. W tym czasie nie było dobrego sposobu pomiaru stężenia jonów wodorowych, więc trudno jest poznać rzeczywiste pH deszczu obserwowane przez Smitha. Typowe wartości pH dla deszczu w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych wynoszą obecnie od 4 do 4.5, z wartościami tak niskimi jak 2.0 Dla obszarów takich jak Los Angeles. Deszcz o pH 2 jest porównywalny pod względem kwasowości do soku z cytryny, a nawet „normalny” deszcz jest teraz tak kwaśny jak sok pomidorowy lub czarna kawa.

Co jest źródłem zwiększonej kwasowości w deszczu i śniegu? Analiza chemiczna wykazuje obecność dużych ilości jonów siarczanu (SO42 -) i azotanu (NO3−), a wiele różnych dowodów wskazuje, że znaczna część tych gatunków pochodzi z tlenków azotu i siarki wytwarzanych podczas spalania paliw kopalnych. W wysokich temperaturach występujących zarówno w silnikach spalinowych, jak i wyładowaniach atmosferycznych, azot cząsteczkowy i tlen cząsteczkowy reagują, dając tlenek azotu:

\

tlenek azotu reaguje szybko z nadmiarem tlenu, dając dwutlenek azotu, związek odpowiedzialny za brązowy kolor smogu:

\

gdy dwutlenek azotu rozpuszcza się w wodzie, tworzy mieszaninę 1: 1 kwasu azotowego i kwasu azotowego.:

\

ponieważ tlen cząsteczkowy ostatecznie utlenia kwas azotowy do kwasu azotowego, ogólna reakcja jest

\

duże ilości dwutlenku siarki zawsze były uwalniane do atmosfery przez naturalne źródła, takie jak wulkany, pożary lasów i rozpad drobnoustrojów materiałów organicznych, ale przez większość historii Ziemi naturalny cykl siarki z atmosfery do oceanów i skał trzymał kwasowość deszczu i śniegu w ryzach. Niestety, spalanie paliw kopalnych wydaje się przechylić równowagę. Wiele węgli zawiera aż 5% -6% pirytu (FeS2) masowo, a oleje opałowe zwykle zawierają co najmniej 0,5% siarki masowo. Od połowy XIX wieku paliwa te są spalane na ogromną skalę, aby zaspokoić potrzeby energetyczne współczesnego społeczeństwa przemysłowego, uwalniając dziesiątki milionów ton dodatkowego SO2 rocznie do atmosfery. Ponadto, prażenie rud siarczkowych w celu uzyskania metali, takich jak cynk i miedź, wytwarza duże ilości SO2 w reakcjach takich jak

\

niezależnie od źródła, SO2 rozpuszcza się w wodzie deszczowej, dając kwas siarkowy (równanie \(\ref{5.7.7}\)), który jest ostatecznie utleniony przez tlen do kwasu siarkowego (równanie \(\ref{5.7.8}\)):

\

\

\

obawy dotyczące szkodliwego wpływu kwaśnych deszczy doprowadziły do silnej presji na przemysł, aby zminimalizować uwalnianie SO2 i NO. Na przykład elektrownie spalające węgiel używają obecnie „płuczek SO2”, które zatrzymują SO2 w reakcji z wapnem (CaO), aby wytworzyć dwuwodny siarczan wapnia (CaSO3·2H2O; rysunek \(\PageIndex{1}\)).

szkody, jakie kwaśne deszcze wyrządzają wapiennym i marmurowym budynkom i rzeźbom, wynikają z klasycznej reakcji kwasowo–zasadowej. Marmur i wapień składają się z węglanu wapnia (CaCO3), soli pochodzącej ze słabego kwasu H2CO3. Reakcja silnego kwasu z solą słabego kwasu idzie do końca. Tak więc możemy zapisać reakcję wapienia lub marmuru z rozcieńczonym kwasem siarkowym w następujący sposób:

\

ponieważ CaSO4 jest słabo rozpuszczalny w wodzie, wynikiem netto tej reakcji jest rozpuszczenie marmuru lub wapienia. Pomnik Lincolna w Waszyngtonie, który został zbudowany w 1922 roku, wykazuje już znaczne szkody od kwaśnych deszczy, a wiele starszych obiektów wykazuje jeszcze większe szkody (rysunek \(\PageIndex{2}\)). Przedmioty metalowe mogą również ulegać uszkodzeniu w wyniku kwaśnych deszczy w wyniku reakcji utleniania-redukcji.

biologiczne skutki kwaśnych deszczy są bardziej złożone. Jak wskazano na fig. 4.15, płyny biologiczne, takie jak krew, mają pH 7-8. Organizmy takie jak ryby mogą utrzymywać wewnętrzne pH w wodzie, która ma pH w zakresie 6,5-8,5. Jeśli jednak zewnętrzne pH jest zbyt niskie, wiele organizmów wodnych nie może już utrzymać swojego wewnętrznego pH, więc umierają. PH 4 lub niższe jest śmiertelne dla praktycznie wszystkich ryb, większości zwierząt bezkręgowych i wielu mikroorganizmów. W wyniku kwaśnych opadów pH niektórych jezior w Europie i Stanach Zjednoczonych spadło poniżej 4. Ostatnie badania sugerują, że do 6% jezior w górach Adirondack w północnej części stanu Nowy Jork i 4% jezior w Szwecji i Norwegii są w zasadzie martwe i nie zawierają ryb. Żadna lokalizacja nie zawiera dużych skupisk przemysłu, ale Nowy Jork leży pod wiatrem Przemysłowego Środkowego Zachodu, a Skandynawia jest pod wiatrem najbardziej uprzemysłowionych regionów Europy Zachodniej. Wydaje się, że oba regiony poniosły ciężar zanieczyszczenia wytwarzanego przez ich pod wiatr sąsiadów. Jednym z możliwych sposobów przeciwdziałania skutkom kwaśnych deszczy w izolowanych jeziorach jest dodanie dużych ilości drobno zmielonego wapienia, który neutralizuje kwas w reakcji pokazanej w równaniu \(\ref{5.7.9}\).

drugi ważny sposób, w jaki kwaśne deszcze mogą powodować uszkodzenia biologiczne, jest mniej bezpośredni. Drzewa i wiele innych roślin są wrażliwe na obecność aluminium i innych metali w wodach gruntowych. W normalnych warunkach wodorotlenek glinu, który jest obecny w niektórych glebach, jest nierozpuszczalny. Przy niższych wartościach pH al (OH)3 rozpuszcza się w następującej reakcji:

\

rezultatem jest wzrost poziomu jonów Al3+ w wodach gruntowych. Ponieważ jon Al3+ jest toksyczny dla roślin, wysokie stężenia mogą wpływać na wzrost roślin. Kwaśne deszcze mogą również osłabiać liście i korzenie roślin tak bardzo, że rośliny nie są w stanie wytrzymać innych naprężeń. Połączenie tych dwóch efektów może spowodować znaczne szkody w utworzonych lasach, takich jak Czarny Las w Niemczech i lasy północno-wschodnich Stanów Zjednoczonych i Kanady oraz innych krajów (rysunek \(\PageIndex{3}\)).