syrabasreaktioner kan ha en stark miljöpåverkan. Till exempel löser en dramatisk ökning av surheten i regn och snö under de senaste 150 åren marmor-och kalkstensytor, accelererar korrosionen av metallobjekt och minskar pH-värdet i naturligt vatten. Detta miljöproblem kallas surt regn och har betydande konsekvenser för alla levande organismer. För att förstå surt regn krävs en förståelse för syrabasreaktioner i vattenlösning.

termen surt regn är faktiskt något vilseledande eftersom även rent regnvatten som samlas in i områden som är avlägsna från civilisationen är något surt (pH-värde 5.6) på grund av upplöst koldioxid, som reagerar med vatten för att ge kolsyra, en svag syra:

\

den engelska kemisten Robert Angus Smith krediteras generellt för att ha myntat frasen surt regn 1872 för att beskriva den ökade surheten i regnet i Brittiska industricentra (som Manchester), som tydligen orsakades av de ohämmade överdrifterna från den tidiga industriella revolutionen, även om anslutningen ännu inte var förstådd. Vid den tiden fanns det inget bra sätt att mäta vätejonkoncentrationer, så det är svårt att känna till det faktiska pH-värdet i regnet som observerats av Smith. Typiska pH-värden för regn i kontinentala USA sträcker sig nu från 4 till 4.5, med värden så låga som 2,0 rapporterade för områden som Los Angeles. Regn med ett pH på 2 är jämförbart i surhet med citronsaft, och till och med ”normalt” regn är nu lika surt som tomatjuice eller svart kaffe.

vad är källan till den ökade surheten i regn och snö? Kemisk analys visar närvaron av stora mängder sulfat (SO42−) och nitrat (NO3−) joner, och en mängd olika bevis tyder på att en betydande del av dessa arter kommer från kväve och svaveloxider som produceras vid förbränning av fossila bränslen. Vid de höga temperaturerna som finns i både förbränningsmotorer och blixturladdningar reagerar molekylärt kväve och molekylärt syre för att ge kväveoxid:

\

kväveoxid reagerar sedan snabbt med överskott av syre för att ge kvävedioxid, föreningen som är ansvarig för den bruna färgen på smog:

\

När kvävedioxid löses upp i vatten bildar den en 1: 1-blandning av salpetersyra och salpetersyra:

\

eftersom molekylärt syre så småningom oxiderar salpetersyra till salpetersyra är den totala reaktionen

\

stora mängder svaveldioxid har alltid släppts ut i atmosfären av naturliga källor, såsom vulkaner, skogsbränder och mikrobiellt förfall av organiska material, men för det mesta av jordens inspelade historia höll den naturliga cykeln av svavel från atmosfären till hav och stenar surheten av regn och snö i kontroll. Tyvärr verkar förbränningen av fossila bränslen ha tippat balansen. Många kol innehåller så mycket som 5% -6% pyrit (FeS2) i Massa, och eldningsoljor innehåller vanligtvis minst 0,5% svavel i massa. Sedan mitten av 19-talet har dessa bränslen bränts i stor skala för att leverera energibehovet i vårt moderna industrisamhälle och släpper ut tiotals miljoner ton extra SO2 i atmosfären årligen. Dessutom producerar rostning av sulfidmalmer för att erhålla metaller som zink och koppar stora mängder SO2 via reaktioner som

\

oavsett källa löses SO2 i regnvatten för att ge svavelsyra (ekvation \(\ref{5.7.7}\)), som så småningom oxideras av syre till svavelsyra (ekvation \(\ref{5.7.8}\)):

\

\

oro över de skadliga effekterna av surt regn har lett till starkt tryck på industrin för att minimera frisättningen av SO2 och NO. Till exempel använder kolbrännande kraftverk nu SO2 ”skrubber”, som fångar SO2 genom sin reaktion med kalk (CaO) för att producera kalciumsulfitdihydrat (CaSO3·2H2O; figur \(\PageIndex{1}\)).

skadorna som surt regn gör på kalksten och marmorbyggnader och skulpturer beror på en klassisk syrabasreaktion. Marmor och kalksten består båda av kalciumkarbonat (CaCO3), ett salt som härrör från den svaga syran H2CO3. Reaktionen av en stark syra med ett salt av en svag syra går till fullbordandet. Således kan vi skriva reaktionen av kalksten eller marmor med utspädd svavelsyra enligt följande:

\

eftersom CaSO4 är sparsamt löslig i vatten är nettoresultatet av denna reaktion att lösa marmor eller kalksten. Lincoln Memorial i Washington, DC, som byggdes 1922, visar redan betydande skador från surt regn, och många äldre föremål uppvisar ännu större skador (figur \(\PageIndex{2}\)). Metallföremål kan också drabbas av skador från surt regn genom oxidationsreduceringsreaktioner.

de biologiska effekterna av surt regn är mer komplexa. Som anges i Figur 4.15 har biologiska vätskor, såsom blod, ett pH på 7-8. Organismer som fisk kan bibehålla sitt inre pH i vatten som har ett pH i intervallet 6,5–8,5. Om det yttre pH-värdet är för lågt kan dock många vattenlevande organismer inte längre behålla sitt inre pH, så de dör. Ett pH på 4 eller lägre är dödligt för praktiskt taget alla fiskar, de flesta ryggradslösa djur och många mikroorganismer. Som ett resultat av surt regn har pH-värdet i vissa sjöar i Europa och USA sjunkit under 4. Nya undersökningar tyder på att upp till 6% av sjöarna i Adirondack Mountains i upstate New York och 4% av sjöarna i Sverige och Norge är i huvudsak döda och innehåller ingen fisk. Varken plats innehåller stora koncentrationer av industrin, men New York ligger medvind av den industriella Mellanvästern, och Skandinavien är medvind av de mest industrialiserade regionerna i Västeuropa. Båda regionerna verkar ha drabbats av föroreningen som produceras av sina grannar i vinden. Ett möjligt sätt att motverka effekterna av surt regn i isolerade sjöar är genom att tillsätta stora mängder finmalt kalksten, vilket neutraliserar syran via reaktionen som visas i ekvation \(\ref{5.7.9}\).

ett andra större sätt på vilket surt regn kan orsaka biologisk skada är mindre direkt. Träd och många andra växter är känsliga för närvaron av aluminium och andra metaller i grundvattnet. Under normala omständigheter är aluminiumhydroxid, som är närvarande i vissa jordar, olöslig. Vid lägre pH-värden upplöses emellertid Al(OH) 3 via följande reaktion:

\

resultatet är ökade nivåer av Al3+ joner i grundvatten. Eftersom AL3 + – jonen är giftig för växter kan höga koncentrationer påverka växttillväxten. Surt regn kan också försvaga växternas löv och rötter så mycket att växterna inte klarar andra påfrestningar. Kombinationen av de två effekterna kan orsaka betydande skador på etablerade skogar, såsom Schwarzwald i Tyskland och skogarna i nordöstra USA och Kanada och andra länder (figur \(\PageIndex{3}\)).