Проблемы кислотных осадков

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 влияние этого  явления на экосистемы и людей.

Достижение данной цели предполагает решение ряда следующих  актуальных задач:

1. Определить  понятие  «кислотность».

2. Охарактеризовать  механизм  образования и выпадения  кислотных  осадков.

3. Выделить основные  особенности  влияния кислотных  дождей на  экосистему и людей.

В процессе написания  данной работы нами были использованы следующие методы:

1. Анализ источников  и  используемой литературы.

2. Сравнительный  метод.

Данная работа была написана с использованием учебной  и монографической литературы.

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 сомнений .

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-).

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 закисленным.

2. Механизм образования  и выпадения кислотных  осадков

По ряду показателей, в первую очередь по массе и  распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер  один считают диоксид серы [1, с. 129]

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию  кислот. Частично диоксид серы в  результате фотохимического окисления  превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО3, который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты: 2SО2 + О2 = 2SО3, SО3 + Н2О=Н2SО4. Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО2 o nН2О, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н2SО3: SО2 + Н2О=Н2SО3. Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной: 2Н2S03 + 02= 2Н2S04.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к  конденсации водяного пара атмосферы  и становятся причиной кислотных  осадков (дожди, туманы, снег). При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при  сжигании угля), легко растворимые  в воде, которые осаждаются на почву  и растения, делая кислотными росы. Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю аэрозолей  азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота  с водяным паром атмосферы: 2NО2 + Н2О=НNО3 + НNО2.

Существуют еще  два вида кислотных дождей, которые  пока не отслеживаются мониторингом атмосферы .

Находящийся в  атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию  радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления  метана в атмосферу: антропогенный - рисовые поля, а также результат  таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлоро-водород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

СL. + СН4 =СH.3 + НС1, СH3. + С12= СН3С1 + СL.

Поступление в  атмосферу больших количеств SO2 и окислов азота приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот - серной и азотной. В этих реакциях участвуют кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализаторов:

2SO2 + О2 + 2Н2О 2H2SO4;

4NO2 + 2Н2O + О2 4HNO3.

В атмосфере  оказывается и ряд промежуточных  продуктов указанных реакций. Растворение  кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению «кислотных дождей».

Показатель рН осадков в ряде случаев снижается на 2 - 2,5 единицы, то есть, вместо, нормальных 5,6 - 5,7 до 3,2 - 3,7.

Следует напомнить, что рН - это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, и, следовательно, вода с рН = 3,7 в сто раз «кислее» воды с рН = 5,7. В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота рН дождевой воды колеблется от 3 до 5.

Впервые кислотные  дожди были отмечены в Западной Европе, в частности в Скандинавии, и  Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире, и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азота. За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, а отрицательные последствия  столь велики, что в 1982 г. В Стокгольме состоялась специальная международная  конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие  представители 20 стран и ряда международных  организаций.

До сих пор  острота этой проблемы сохраняется, она постоянно в центре внимания национальных правительств и международных  природоохранных организаций. В  среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади  почти 10 млн. км2, составляет 5-4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3-2,5. В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР), где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т серы в год в виде кислотных осадков .

В тропических  районах, где промышленность практически  неразвита, кислотные осадки вызваны  поступлением в атмосферу оксидов  азота за счет сжигания биомассы. В  России наиболее высокие уровни выпадений  окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км2 в год) на значительных по площади ареалах (несколько тыс. км2) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны - в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и других районах; на локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2) - в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом. Минимальные значения рН осадков в этих местах достигают 3,1-3,4.

Специфическая особенность кислотных дождей - их трансграничный характер, обусловленный  переносом кислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие  расстояния - сотни и даже тысячи километров. Этому в немалой степени  способствует принятая некогда «политика  высоких труб» как эффективное  средство против загрязнения приземного воздуха.

Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и «импортерами» чужих  выбросов. Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды  России соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия.

В свою очередь, из России больше всего окисленной серы направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной - 1:17, с Польшей - 1:32, с Норвегией - 7:1 .

Экспортируется  «мокрая» часть выбросов (аэрозоли), сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости от источника  выброса или на незначительном удалении от него. Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу  выбросами характерен для всех стран  Западной Европы и Северной Америки. Великобритания, Германия, Франция  больше направляют окисленной серы к  соседям, чем получают от них. Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от своих соседей, чем  выпускают через собственные  границы (до 70% кислотных дождей в  этих странах - результат «экспорта» из Великобритании и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков - одна из причин конфликтных взаимоотношений  США и Канады.

3. Влияние кислотных  дождей на экосистемы и людей

Выпадение кислотных  осадков на современном этапе  биосферы представляет собой достаточно насущную проблему и оказывает достаточно негативное воздействие на биосферу.

Причем негативное влияние кислотных дождей наблюдается  в экосистемах многих стран.

Особенно негативное воздействие от выпадения «кислотных дождей» ощутила на себе Скандинавия.

В 70-х годах  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.