Кислотный дождь и условия его образования

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

1.Понятие кислотности

2.Условия образования и выпадения кислотных осадков

2.1.Причины кислотных  дождей

2.2.Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в              атмосфере.

          2 3.Механизм образования и выпадения кислотных осадков

     3.Влияние кислотных дождей на экосистемы и людей

Заключение

Список литературы

 

Введение

Актуальность изучения данной темы непосредственно связана  с все более ухудшающейся экологической  ситуацией, как в нашей стране, так и непосредственно во всем мире.

Подчеркивая данное обстоятельство, необходимо отметить, что несколько лет назад выражения «кислотные осадки» и «кислотные дожди» были известны лишь исключительно ученым, посвященным в определенных, специализированных областях экологии и химии атмосферы. За последние несколько лет эти выражения стали повседневными, вызывающими беспокойство словами во многих странах во всем мире.

Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного  развития, может вызвать в результате существенные экономические и социальные издержки.

Окисление почв и вод – это  комплекс причин, исходных условий  и следующих один за другим процессов  в химической и биологической  системах, которые мы обобщенно называем нашей окружающей средой.

Часть процессов окисления является природной, но данные изменения кислотности в системах почвы и воды, ни по скорости, ни по общему охвату, не могут быть сравнены с окислением, ставшим результатом собственной деятельности человека в промышленной и энергетической областях, а также в определенной части современного использования земли.

Предмет исследования – процесс  образования и выпадения кислотных  осадков.

Объект исследования – кислотные  осадки.

Исходя из всего вышеизложенного, целью данной работы является необходимость  охарактеризовать сущность понятия «кислотный дождь», а также описать условия и механизм образования кислотных дождей.

 

 

 

1.Понятие кислотности.

Чтобы более полно  охарактеризовать понятие «кислотный дождь», на наш взгляд, необходимо определиться с терминологией. На необходимо отметить, что, несмотря на «постиндустриальное» звучание, этому термину уже более ста лет.

Впервые он был употреблен в 1872 году англичанином Ангусом Смитом, изучавшим  эффекты смога в Манчестере, однако тогдашние ученые коллегу не поддержали и к теории кислотных дождей отнеслись скептически. Сегодня же в их существовании нет никаких сомнений¹.

В силу этого, нам необходимо рассмотреть  само понятие «кислотность».

Термин «кислотность водного раствора» - это химический термин. 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–) [7, с. 70].

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов  – величина постоянная, равная C(H+)·C(OH–) = 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, а для щелочных  сред: 10–14 ≤ C(H+) < 10–7.

В 1909 г. Сорензеном было предложено применять  вместо подлинных значений C(H+) и C(ОН–) их отрицательные логарифмы, чтобы  избавиться от отрицательных степеней в значениях C(H+) и C(ОН–). Отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов называется водородным показателем и обозначается pH: pH = – lg C(H+).

Шкала кислотности идет от pH = 0 (крайне высокая кислотность) через pH = 7 (нейтральная среда) до pH = 14 (крайне высокая щелочность). Показатель кислотности pH различных веществ, встречающихся в повседневной жизни .

Изменение значения pH на единицу соответствует  изменению концентрации ионов водорода в 10 раз.

Чистая дождевая вода имеет слабокислый показатель водорода, так как в ней присутствуют катионы щелочных элементов (Na+, K+) и анионы, такие как HCO , CO , Cl– и др. В дождевой воде практически нет щелочноземельных элементов (Ca+2, Mg+2), поэтому она мягкая (требуется большое количество этой воды, чтобы смыть мыло или шампунь).

Таким образом, в заключение данного параграфа, мы непосредственно  можем сделать следующий вывод, о том, что согласно учению о кислотности, широко распространенный термин «кислотные дожди» обозначает осадки с pH меньше 5,7.

Виной таким изменениям — оксиды серы и азота, в промышленных масштабах выбрасываемые в атмосферу автомобилями, электростанциями, металлургическими заводами. В воздушной среде на частицах сульфатов и нитратов конденсируются молекулы воды, образуются облачные капельки, которые при определенных погодных условиях становятся частью дождевых капель или снежинок. Если концентрация сульфатов и нитратов в атмосфере велика, то дождь или снег получается значительно закисленным² .

 

2.Условия образования  и выпадения кислотных осадков

2. 1.Причины кислотных дождей

Главной причиной кислотных  дождей является присутствие в  составе  атмосферы Земли  двуокиси  серы  SO2  и  двуокиси  азота  NO2,  которые  в  результате происходящих в атмосфере химичеких реакций,  превращаются  в  соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность  земли  оказывает влияния на живые организмы и экотоп в целом.

Виды  соединений серы:

К наиболее важным соединениям  серы находящимся в составе  атмосферы  Земли относятся:

1. Двуокись серы – SO2

2. Оксисульфид углерода  – COS

3. Сероуглерод – CS2

4. Сероводород – H2S

5. Диметилсульфид –  (CH3)2S

6. Сульфат-ион – SO42-

Источники соединений серы:

Естественные  источники эмиссии серы в атмосферу:

I.  Биологическое выделение.  Почти все без  исключения  радиционные  модели   круговорота серы показывали, что около 50% серы появляется в атмосфере  за   счет её  биологических  превращений  в  почвенных  и  водных  экосистемах.

 Предполагается, что в результате   происходящих микробиологических   процессов, в этих естественных экосистемах  сера  улетучивается  в  форме   сероводорода (H2S). Многочисленные  научные  данные  свидетельствуют,  что   микроорганизмы продуцируют сероводород в основном двумя путями:

1. восстановление сульфатов.

2. разложение органического вещества.

Desulfovibrio а также родственные  им бактерии, восстановители сульфатов,  во множестве  населяют  болота,  топи  и  слабо  дренированные   почвы.  Данные микроорганизмы  используют сульфаты как конечный  акцептор электронов.  Также чрезвычайно большая и  разнообразная  группа  микроорганизмов,  включающая аэробы, термофилы, психрофилы, бактерии, актиномицеты  и  грибы,  разлагает серосодержащие  органические   соединения   и   высвобождает   сероводород.

Поверхность моря и его  глубинные слои также может содержать значительные количества  сероводорода.  В настоящее время не  совсем  точно известны источники образования диметилсульфида,  но   предполагается,  что   в   их возникновении принимают участие   морские   водоросли.   Выделения   серы биологическим путем не превышают 30 – 40 млн.  т.  в  год,  что  составляет приблизительно 1/3 от всего выделяемого количества серы.

II. Вулканическая деятельность. При извержении  вулкана  в  атмосферу  Земли   наряду  с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород,  сульфаты   и элементарная сера. Эти соединения поступают  главным  образом  в  нижний   слой – тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях,  наблюдается   увеличение концентрации соединений серы  и  в  более  высоких  слоях  –  в   стратосфере.  С  извержением  вулканов  в  атмосферу  ежегодно  в  среднем   попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений. Для тропосферы  данное   количество серы незначительно по сравнению с биологическим выделением, для  стратосферы же извержения вулканов  являются  самыми  важными  источниками появления серы.

III.  Поверхность   океанов.  После  испарения   капель  воды, поступающих  в   атмосферу с поверхности океанов,  остаётся морская соль, содержащая  наряду   с ионами натрия  и хлора соединения серы – сульфаты.

 Вместе с частичками  морской соли ежегодно в атмосферу  Земли попадает от 50  до 200 млн.  т. серы, что гораздо больше,  чем  эмиссия  серы  в   атмосферу  естественным путём.  В тоже время частицы соли  из-за своих больших размеров  быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы  попадает в верхние слои и распыляется над сушей. Однако следует  учитывать  тот факт, что из сульфатов морского происхождения не может  образовываться  серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не  имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании  образования облаков и осадков.

Антропогенные источники эмиссии серы в атмосферу:

В  результате  деятельности  человека  в  атмосферу  попадают   значительные количества соединений серы, главным образом в  виде  двуокиси  (SO2).  Среди источников этих соединений на первом месте в мире стоит уголь, сжигаемый  на электростанциях и др. промышленных предприятиях.  Уголь  дает  70%  от  всех антропогенных  выбросов.  В  процессе  горения  часть  серы  содержащееся  в топливе превращается в сернистый газ, а часть  остается  в  золе  в  твердом состоянии.  Содержание  серы  также  достаточно  велико  (0.1  –  2%)  и   в неочищенной  нефти,  но  эти  показатели  варьируются   в   зависимости   от происхождения,  однако   при   сгорании   нефтепродуктов   сернистого   газа образуется значительно меньше, чем при  сгорании  угля.  В  мире  на  первом месте по выбросам сернистых  соединений  в  атмосферу  стоят  такие  отрасли промышленности как: металлургическая,  предприятия  по  производству  серной кислоты  и  переработке  нефти.  Таким  образом  в  результате  деятельности человека в атмосферу Земли попадает ежегодно около 60 – 70 млн.  т.  серы  в виде  двуокиси  серы.  Сравнение естественных  и антропогенных источников эмиссии серы и её различных соединений в атмосферу показывает, что человек, в результате  своей деятельности,   загрязняет   атмосферу   Земли   этими соединениями в 2 раза больше, чем это происходит  в природе естественным путем.

Виды  соединений азота:

В  состав  атмосферы  входит  ряд  азотосодержащих  соединений,  из  которых наиболее распространена закись азота (N2O). Этот газ в нижних слоях  воздуха  нейтрален и не участвует в образовании кислотных  дождей.  Также  в  составе атмосферы Земли находятся кислотные оксиды азота,  такие  как:  окись  азота NO, и двуокись азота NO2. Кроме того в состав атмосферы входит  единственное щелочное соединение азота – аммиак.

К наиболее важным соединениям  азота находящимся в составе  атмосферы Земли относятся:

1. Закись азота –  NO2

2. Окись азота –  NO

3. Азотистый ангидрид  – N2O3

4. Двуокись азота –  NO2

5. Оксид азота –  N2O5

  Источники соединений азота:

Естественные  источники эмиссии соединений азота в атмосферу:

I. Почвенная эмиссия  оксидов азота. В процессе деятельности  живущих в  почве   денитрифицирующих   бактерий  из  нитратов  высвобождаются  оксиды   азота.

  Согласно данным  на 1990 г. ежегодно во всем  мире  образуется  этим  путем   около 8 млн. т. оксидов азота (в пересчете на азот).

II. Грозовые разряды.  Во время  электрических   разрядов  в  атмосфере  из-за   очень высокой температуры и  перехода в плазменное  состояние   молекулярные   азот и кислород  в воздухе соединяются в оксиды азота. Образовавшееся таким   способом количество оксида азота составляет около 8 млн. т.

III. Горение биомассы. Данный вид источника может   иметь  как  искусственное   так и естественное происхождение.  Наибольшее количество биомассы  сгорает в   результате процесса выжигания леса  (с целью получения производственных   площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн. т.оксидов азота (в пересчете на азот) в течении года.

IV. Прочие источники.  Прочие источники естественных выбросов  оксидов  азота   менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся:  окисление  аммиака в атмосфере, разложение находящейся в  стратосфере  закиси  азота,  вследствие чего происходит попадание смеси образовавшихся оксидов NO и NO2  в тропосферу  и,  наконец, фотолитические  и биологические процессы  в   океанах. Эти источники совместно вырабатывают в течении года от 2-ух до 12  млн.т.оксидов азота (в пересчете на азот).

Антропогенные источники эмиссии соединений азота  в атмосферу:

Среди антропогенных  источников образования оксидов  азота  на  первом  месте стоит  горение ископаемого топлива (уголь,  нефть,  газ  и  т.д.).  Во  время  горения  в  результате  возникновения  высокой  температуры  находящиеся   в воздухе  азот  и кислород   соединяются.   В   данном   случае   количество образовавшегося оксида азота NO попорционально темрпературе  горения.  Кроме того, оксиды азота образуются  в результате  горения имеющихся в топливе азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое  топливо,  человечество  ежегодно выбрасывает в воздушный бассеин Земли около12 млн.т. оксидов азота.  Немного меньше оксидов азота, около 8 млн.т. в год поступает  от  сжигания  горючего (бензина, дизельное топливо и т.д.) в  двигателелях  внутреннего  сгорания. Промышленностью во всем мире выбрасывается около 1  млн.т.  азота  ежегодно.Таким образом, по крайней мере 37% из почти  56  млн.т.  ежегодных  выбросов оксида азота образуется из антропогенных источников. Этот  процент,  однако, будет намного больше, если к нему прибавить продукты сжигания биомассы.