Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Кислотные дожди. 11

Кислотные дожди

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии». Кислотные дожди, содержащие растворы серной и азотной кислот, наносят значительный ущерб природе. Земля, водоемы, растительность, животные и постройки становятся их жертвами. На территории России в 1996 г. вместе с осадками выпало более 4 млн. т серы и 1,25 млн. т нитратного азота. Особенно тревожная ситуация сложилась в Центральном и Центрально-Черноземном районах, а также в

Кемеровской области и Алтайском крае, в Норильске. В Москве и Санкт-

Петербурге с кислотными дождями на землю в год выпадает до 1500 кг серы на 1 км2. Заметно меньше кислотность осадков в прибрежной зоне северных, западно- и восточносибирских морей. Самым благоприятным регионом в этом отношении признана Республика Саха (Якутия).

При сжигании любого ископаемого топлива (угля, горючего сланца, мазута)

в составе выделяющихся газов содержатся диокиси серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть меньше или больше. Особенно насыщенные сернистым газом выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в слабый раствор кислот.

Окислы азота образуются при соединении азота с кислородом воздуха при

высоких температурах, главным образом в двигателях внутреннего сгорания и

котельных установках. Получение энергии, увы, сопровождается закислением

окружающей среды. Дело осложняется еще и тем, что трубы теплоэлектростанций стали расти в высоту, и достигают 250—300, даже 400 м, следовательно, выбросы в атмосферу теперь рассеиваются на огромные

территории.

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем

положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих

ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л). Щелочность водного

раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и

характеризуется их концентрацией C(ОН–).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных

концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная С(H+)C(ОН–) = 10–14, другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и

гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10–7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10–7 < C(H+) ? 100,

для щелочных сред:

10–14 ? C(H+) < 10–7.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается

более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = –lgC(H+).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10–5

моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению

показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение

концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных

ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и

5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных

растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН

= 7 (нейтраль

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей

тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко

растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО2 + Н2О [pic]Н2СО3.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в

частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения

характера среды является применение индикаторов – химических веществ,

окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее

распространенные индикаторы – фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также

естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию, т.е. рН=7. Но даже в самом чистом воздухе всегда есть диоксид углерода, и дождевая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН 5,6—5,7). А вобрав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь становится заметно кислым. Уменьшение рН на одну единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на две — в 100 раз и т.д. Мировой рекорд принадлежит шотландскому городку Питлокри, где 20 апреля 1974 г. Выпал дождь с рН 2,4, — это уже не вода, а что-то вроде столового уксуса.

Последствия кислотных осадков.

В 70-х гг. в реках и озерах скандинавских стран стала исчезать рыба,

снег в горах окрасился в серый цвет, листва с деревьев раньше времени

устлала землю. Очень скоро те же явления заметили в США, Канаде, Западной

Европе. В Германии пострадало 30%, а местами 50% лесов. И все это

происходит вдали от городов и промышленных центров. Выяснилось, что причина всех этих бед — кислотные дожди.

Показатель рН меняется в разных водоемах, но в ненарушенной природной

среде диапазон этих изменений строго ограничен. Природные воды и почвы

обладают буферными возможностями, они способны нейтрализовать определенную часть кислоты и сохранить среду. Однако очевидно, что буферные способности

природы не беспредельны.

В водоемы, пострадавшие от кислотных дождей, новую жизнь могут вдохнуть

небольшие количества фосфатных удобрений; они помогают планктону усваивать нитраты, что ведет к снижению кислотности воды. Использование фосфата дешевле, чем извести, кроме того, фосфат оказывает меньшее воздействие на химию воды.

Земля и растения, конечно, тоже страдают от кислотных дождей: снижается

продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ, меняется

состав почвенных микроорганизмов.

Огромный вред наносят кислотные дожди лесам. Леса высыхают, развивается

суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в

почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к

угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные

деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает

больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у

них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных

деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет

часть кроны, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и

лиственных лесов не происходит.

Все больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным

культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их

сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.

Специалисты американского университета штата Северная Каролина изучили

воздействие, оказываемое кислотными дождями на растения в период их

максимальной восприимчивости к факторам внешней среды. Под влиянием

кислотных дождей непосредственно после опыления в початках кукурузы

формировалось меньше зерен, чем при орошении чистой водой. Причем чем больше в дождевой воде содержалось кислоты, тем меньше зерен образовывалось в початках. Вместе с тем выяснилось, что кислотные дожди, прошедшие до опыления, не оказывали заметного влияния на формирование зерен.

Проведены исследования степени восприимчивости к кислотным дождям 18

видов сельскохозяйственных культур и 11 видов декоративных растений на

ранних стадиях роста. Наиболее подверженными вредоносному воздействию оказались листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника. Наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер.

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают

памятники архитектуры. Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО2), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО4). Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают этот мягкий материал. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу — шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, в Лондоне — Тауэру и Вестминстерскому аббатству. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме.

Более 100 тыс. ценнейших витражей, украшающих соборы в Шатре,

Контербери, Кёльне, Эрфурте, Праге, Берне, в других городах Европы могут

быть полностью утрачены в ближайшие 15— 20 лет.

Изучив новые данные о кислотности осадков, выпадающих в различных

регионах Западной Европы, и о воздействии их на здания и сооружения,

сотрудники Дублинского университета (Ирландия) выявили, что самое

катастрофическое положение сложилось в центре Манчестера (Великобритания), где за 20 месяцев кислотные осадки растворили более 120 г на 1 м2 камня (песчаника, мрамора или известняка).

Город пострадал очень сильно, хотя общее количество осадков в

наблюдаемый отрезок времени там было крайне низким. Очевидно, слишком высока была степень их кислотности.

За Манчестером следует Липхун (графство Гэмпшир в Великобритании) и

Антверпен (Бельгия), где каждый камень под открытым небом потерял 100 г с 1

м2. Даже такие известные загрязненностью атмосферы города, как Афины,

Копенгаген и Амстердам, подверглись кислотному разрушению в значительно

меньшей степени.

Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные потреблять питьевую

воду, загрязненную токсическими металлами — ртутью, свинцом, кадмием и т.п.

Спасать природу от закисления необходимо. Для этого придется резко

снизить выбросы в атмосферу окислов серы и азота, но в первую очередь

сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на 70—80%

обусловливают кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от

места промышленного выброса.

Наблюдения за химическим составом и кислотностью осадков в России

ведут 131 станция, отбирающие на химический анализ суммарные пробы, и 108 пунктов, на которых в оперативном порядке измеряют только величину рН. Пробы осадков на содержание от 11 до 20 компонентов анализируются в пяти кустовых лабораториях.

Система контроля загрязнения снежного покрова на территории России

осуществляется на 625 пунктах, обследующих площадь в 15 млн. км2. Пробы

забирают на наличие ионов сульфата, нитрата аммония, тяжелых металлов,

определяют значение рН.

Природные осадки имеют разную кислотность, но в среднем рН=5,6.

Кислотные осадки с рН < 5,6 представляют серьезную угрозу, особенно если

величина рН падает ниже 5,1. Ниже перечисляются основные последствия

выпадения кислотных осадков. Повреждение статуй, зданий, металлов и отделки автомобилей. Гибель рыб, водных растений и микроорганизмов в озерах и реках. Понижение способности к воспроизводству лососей и форели при рН < 5,5.

Гибель и понижение продуктивности многих видов фитопланктона, когда рН<6 —

Разрыв азотного цикла в озерах, когда величина рН колеблется от 5,4 до 5,7.

Ослабление или гибель деревьев, особенно хвойных пород, произрастающих на больших высотах, из-за вымывания из почвы кальция, натрия и других

питательных веществ (Рисунок IV). Повреждение корней деревьев и гибель многих видов рыб из-за высвобождения из почв и донных осадков ионов алюминия, свинца, ртути и кадмия. Ослабление деревьев и усиление их подверженности болезням, насекомым, засухам, грибам и мхам, которые процветают в кислой среде. Замедление роста культурных растений, таких, как помидоры, соя, фасоль, табак, шпинат, морковь, капуста-брокколи и хлопок. Рост популяции 81агола, простейшего, вызывающего серьезную кишечную инфекцию, которая поражает скалолазов и альпинистов, пьющих воду из, казалось бы, чистых горных ручьев. Возникновение и обострение многих болезней дыхательной системы человека, преждевременная гибель людей.

Кислотные осадки иллюстрируют пороговый эффект. Большинство почв, озер

и рек содержат щелочные химические вещества, которые могут

взаимодействовать с некоторым количеством кислот, нейтрализуя их. Однако

регулярное многолетнее воздействие кислот истощает большинство из этих

сдерживающих закисление веществ. Затем как бы внезапно начинается массовая гибель деревьев и рыб в озерах и реках. Когда это происходит, какие-либо меры по предотвращению серьезного ущерба предпринимать уже поздно. Опоздание составляет 10 — 20 лет.

Кислотные осадки уже являются серьезной проблемой в Северной и

Центральной Европе, на северо-востоке Соединенных Штатов, на юго-востоке

Канады, в некоторых районах Китая, Бразилии и Нигерии. Все большую угрозу

они начинают представлять в промышленных регионах Азии, Латинской Америки и Африки и в некоторых местах на западе Соединенных Штатов (главным образом из-за сухих осадков). Выпадают кислотные осадки и в ряде тропических районов, где промышленность практически не развита, главным образом из-за выделения оксидов азота при сжигании биомассы. Большая часть кислотообразующих веществ, произведенных в одной стране, переносится преобладающими приземными ветрами на территорию другой. Более трех четвертей кислотных осадков в Норвегии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Нидерландах и Финляндии приносится в эти страны ветром из промышленных районов Западной и Восточной Европы.

Свыше половины кислотных осадков в густонаселенных районах юго-

восточной Канады и востока Соединенных Штатов обусловлены выбросами крайне сконцентрированных предприятий угольной и нефтяной энергетики и промышленных предприятий в семи штатах Центра и верхнего Среднего Запада - Огайо, Индианы, Пенсильвании, Иллинойса, Миссури, Западной Виргинии и Теннесси (Рисунок V). Степень кислотности осадков над большей частью Востока Северной Америки составляет 4,0-4,2. Это в 30-40 раз больше, чем кислотность нормальных осадков, которые выпадали в этих местах несколько десятилетий назад. Штатами, которые выбрасывают наибольшее количество кислотообразующих веществ, являются Калифорния, Индиана, Огайо и Техас.

Около 75% кислотных осадков, выпадающих в Канаде, приносится ветрами из

Соединенных Штатов, и только 15% кислотных осадков, выпадающих в северо-

восточных штатах, обусловлено выбросами на территории самой Канады. Такой большой положительный баланс переноса кислотных осадков между Соединенными Штатами и Канадой привел к обострению отношений между двумя странами. Канадские ученые и чиновники и многие ученые США критиковали правительство США за недостаточно оперативные действия по уменьшению вредных выбросов промышленных предприятий и электростанций по крайней мере на 50%. По оценкам Министерства окружающей среды провинции Онтарио, кислотные осадки

угрожают 48 тыс. канадских озер с их индустрией спортивного рыболовства

(1,1 млрд. долларов в год) и туризма (10 млрд. долларов в год). Канадцы

также обеспокоены тем, что кислотные осадки вредят лесному хозяйству и

связанным с ним отраслям, которые дают работу каждому десятому жителю

страны и приносят 14 млрд. долларов в год.

По оценке Национальной академии наук, ущерб от кислотных осадков в

Соединенных Штатах уже составляет, по крайней мере, 6 млрд. в год и будет

резко возрастать, если не предпринять немедленных действий. Стоимость

сокращения объема этих загрязнителей составит от 1,2 млрд. до 20 млрд.

долларов в зависимости от степени очистки и технологии, которая будет

использована.

В некоторых областях почвы содержат известняк и другие щелочные

вещества, которые могут нейтрализовать кислоты. Однако кислые почвы в

других районах практически не способны к нейтрализации кислот. Кроме того,

повторное воздействие на любые почвы кислотных осадков может в принципе истощить содержащиеся в них вещества, нейтрализующие кислоты. Кислотный речной сток может погубить многие формы жизни в озерах и реках. Так же как и почвы, некоторые озера и реки особенно чувствительны к воздействию кислоты из-за низкого содержания щелочей (особенно иона бикарбоната), которые могли бы способствовать нейтрализации поступающих в них кислот (Рисунок VI).

Самоочищение атмосферы. Воздушный океан обладает способностью к

самоочищению от загрязняющих веществ. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками, ионы оседают под влиянием электрического поля атмосферы, а также вследствие гравитации. Частица размером 10 мкм проходит путь от устья трубы высотой 45 м до поверхности земли за 1,4 ч. За это время при скорости ветра 2 м/с выброс из трубы будет отнесен на 10 км, частицы меньшего диаметра осядут на еще большем расстоянии. Оседанию способствует сорбция их на поверхности более крупных частиц. В отсутствие атмосферных осадков происходит выпадение аэрозолей в результате соприкосновения нижнего слоя воздуха с земной поверхностью и предметами, расположенными на ней. Так, воздушные потоки, переносящие загрязнения, очищаются, встречая на своем пути лес. На деревьях осаждаются не только твердые частицы, но и летучие вещества.

Вследствие турбулентного перемешивания приземной слой воздуха все время

обновляется, поэтому на поверхность отлагается значительное количество

аэрозолей, на 1 м2 земной поверхности под Санкт-Петербургом выпадает

столько аэрозолей, сколько заключено в 250 м приземного слоя воздуха, при

этом за сутки очищается слой высотой 250 м. Эта величина условно называется

скоростью или высотой очистки.

Процессы самоочищения атмосферы связаны не только с выпадением осадков и образованием нисходящих потоков, но и с другими метеорологическими явлениями.

Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на

его нейтрализацию. Эта способность природы долгое время эксплуатировалась

человеком бездумно и хищнически. Отходы производства выбрасывались в воздух в расчете на то, что будут обезврежены и переработаны самой природой. Казалось, что как ни велика общая масса отходов, по сравнению с защитными ресурсами она незначительна. Однако процесс загрязнения резко прогрессирует, и становится очевидным, что природные системы самоочищения рано или поздно не смогут выдержать такой натиск, так как способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы.

Заключение.

Влияние атмосферных загрязнений на окружающую среду и здоровье

населения. От загрязнения воздуха страдают животные и растения. Например,

отходы медеплавильных заводов — хлор, мышьяк, сурьма — вызывают гибель домашних и диких животных, поедающих отравленную этими веществами пищу, тяжелые заболевания скота наблюдаются от фтористых соединений. Медь и цинк, попадающие с выбросами заводов на землю, могут полностью уничтожить травяной покров.

Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных

проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей, под

влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает.

Подсчитано, что общее количество выбросов сернистого газа в атмосферу

нашей планеты тепловыми электростанциями, металлургическими заводами, нефтеперерабатывающими предприятиями и другими антропогенными источниками с 1905 по 1965 г. возросло в 4 раза и к настоящему времени достигло 150 млн. т. Из этого количества до 110 млн. т (более 70% мировых выбросов сернистого газа) приходится на страны Европы, Соединенные Штаты Америки и Канаду. Учитывая, что использование твердого топлива, в частности бурого угля (характеризующегося высоким содержанием серы), все возрастает, следует предвидеть соответствующее увеличение выбросов сернистого газа.