Загальна екологія (та неоекологія

 

 

Процес окислення здійснюється під дією кисню на пилоподібних частинках  оксидів металів як каталізатори, в атмосферній волозі або під дією сонячного світла.

Газоподібний SО₃ розчиняється в крапельках вологи з утворенням сірчаної кислоти:

SО₃(газ) + Н₂О(ж) = Н₂SО₄ (водн.)

Забруднення атмосфери з'єднаннями азоту. Оксиди азоту утворюються в атмосфері як природним, так і антропогенним шляхом при горінні викопного палива. Забруднення атмосфери оксидами азоту в цілому порівняно невелике. Проте в районах з розвиненою хімічною промисловістю є локальні зони підвищеного вмісту NО, NО₂ в повітрі (табл. 3.3)

 

 

Таблиця 3.3 - З'єднання азоту і їх концентрації в приземному шарі атмосфери

З'єднання	Концентрація азоту, мкг/м3
	забруднений район	віддалений район	океан
NO	5 - 50	0,05 – 0,5	0,05
NO2	5-50	0,2 - 2,0	0,2
HNO3	2	0,2- 2	0,2
NH3	-	0,1 - 10	0,3
NO3	2	0,1 – 0,4	0,02
NH4	-	1,0 - 2,0	0,4

Основними антропогенними джерелами надходження оксидів  азоту в атмосферу є спалювання всіх видів природного палива (12 млн.т./рік), транспорт (8 млн.т./рік) і промисловість (1 млн.т./рік).

Монооксид азоту NО утворюється  в малих кількостях в циліндрах двигунів внутрішнього згорання при прямій взаємодії кисню з азотом. В середньому виділення NО автомобілем складає 1-2 грами на 1 км пробігу.

Однією з важливих властивостей NО є його здатність  реагувати з киснем з освітою NО₂:

2NО (г) + О₂ = 2 NО₂.

Унаслідок цієї реакції  деяка кількість діоксиду азоту  присутня у вихлопних газах двигунів внутрішнього згорання.

Газоподібний діоксид  азоту розчиняється в крапельках вологи з утворенням азотної кислоти:

3NО₂ + Н₂О = 2НNО₃ + NО.

 

Вимиваючи з атмосфери  Н₂SО₄ і НNО₃, опади стають кислотними. Їх рН залежить від кількості як кислот, так і води, в якій вони розчинені. Сильні дощі звичайно менш кислотні. У туманів рН може впасти найнижче, оскільки тут кислоти розчинені у відносно меншій кількості вологи.

В даний час відомо, що кислоти можуть випадати з атмосфери і без води, самі по собі або з частинками пилу. Такі сухі кислотні відкладення можуть накопичуватися на поверхні рослин і при змочуванні невеликою кількістю вологи, наприклад, при випаданні роси, давати сильні кислоти. Отже, до кислотних опадів треба віднести і кислотну росу.

Мірою кислотності води є концентрація іонів водню [Н+], виражена в моль/л. Молекула води слабо дисоціює з утворенням іонів водню Н⁺ і гідроксид іонів ОН^-

Н₂О « Н⁺ + ОН^- .

У пробі чистої води концентрації [Н+ ] і [ОН-] рівні між собою і ці величини при 25⁰С складають 10 - 7 моль/л. Розчини з однаковими концентраціями іонів водню і іонів гідроксиду називаються нейтральними:

[Н+] = [ОН-] = 10 - 7 моль/л .

Звичайно кислотність  розчину виражають іншим способом. Замість концентрації іонів водню указують її десятковий логарифм, узятий із зворотним знаком. Ця величина називається водневий показник і позначається рН

рН = -lg[Н+].

Оскільки -lg 10-7 = 7,  означає, рН = 7 характеризує нейтральні розчини. У кислому середовищі концентрація [Н+] більше [ОН-], а в лужних, навпаки, концентрація іонів гідроксиду більше, ніж іонів водню:

[H⁺] >  [OH-],   [H+] > 10-7,  pH<    7   - кисле середовище

[H⁺] <  [OH-],   [H+] < 10-7,  pH  >  7   - лужне середовище.

 

Чиста дощова вода не є  нейтральною. У відсутність будь-яких забруднювачів у дощової води звичайно слабокисла реакція (рН = 5,6), оскільки в ній легко розчиняється вуглекислий газ з повітря з утворенням слабкої вугільної кислоти (зміст вуглекислого газу в повітрі приблизно 0,032% за об'ємом або 0,046% по масі). В результаті утворюється слабка вугільна кислота:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ .

Таким чином, кислотними точніше називати опади з рН 5,5 і нижче. Кислотні опади випадають  в більшості промислових районів  миру. Над східною частиною США і Канади, уздовж західного побережжя Північної Америки, а також майже над всією Європою рН дощу і снігу звичайно складає близько 4.5. Багато місць в межах цих регіонів регулярно одержують опади з рН 4.0. В окремих випадках рН дощу може бути набагато нижче, а туман і роса бувають кислішими, ніж дощ.

3.1.1 Вплив кислотних опадів на екосистеми

 

Вже більше ста років  кислотні опади визнаються серйозною  проблемою в індустріальних і  прилеглих ним районах, але їх вплив на екосистеми був відмічений тільки близько 35 років тому, коли рибаки відмітили різке скорочення популяцій  риби в багатьох озерах Швейцарії, провінції Онтаріо (Канада) і гір Адірондак (штат Нью-Йорк). Шведські учені першими визначили, що вся справа в підвищеній кислотності води, і пов'язали її з ненормально низькими значеннями рН опадів. З тих пір з'ясувалися різні шляхи руйнівного впливу кислотних опадів на екосистеми (рис. 4.1).

Вплив на водні  екосистеми. Значення рН середовища надзвичайно важливе, оскільки від нього залежить діяльність практично всіх ферментів, гормонів і інших білків в організмі, регулюючих метаболізм, зростання і розвиток. Особливо схильні до впливу рН яйцеклітина, сперма і памолодь. Біля прісноводних озер, струмків і ставків рН води звичайно складає 6 - 7, і організми адаптовані саме до цього рівня.

 

 

 

Рис. 3.1 - Схема можливих напрямів впливу кислотних опадів на навколишнє середовище і людину

При зміні рН води всього лише на одну одиницю в порівнянні з оптимумом вони в більшості  випадків випробовують серйозний стрес  і часто гинуть. Найбільш очевидний вплив кислотні опади роблять на водні екосистеми. У прісноводих водоймищах рН води звичайно рівний 6 - 7. Зниження рН до 5 приводить до поступового вимирання риб. Проте не можна вважати, що доросла риба просто гине у великому числі із-за підвищеної кислотності води в цих озерах.

Насправді сильно закислені води не дозволяють рибі нормально розмножуватися. Самки можуть виявитися не здатними вимітати ікру в кислій воді, якщо ж ікра все-таки потрапляє у воду, то вона або гине, або з неї вилуплюються нежиттєздатні мальки.

У багатьох районах, де кількість риби зменшилася унаслідок кислотних дожів, спостерігалися дуже холодні зими з рясними снігопадами. При таненні навколишніх снігів підкислена вода стікає в озера, що приводить до різкого збільшення кислотності. Танення снігів і підвищення кислотності за часом співпадають з нерестом риб. Таким чином, ікра, що вимечуєтся, потрапляє в максимально кислу воду, яка спостерігається протягом року. Можна припустити, що по мірі скорочення чисельності риби зменшуватиметься і чисельність тих видів тварин, які харчуються рибою, таких, як білоголовий орлан, гагари, скопу, а також видра, нірка і ін.

Із-за дії кислотних  дощів може скорочуватися чисельність  жаб, жаб і тритонів. Багато хто  з цих видів розмножується  в тимчасових водоймищах, що виникають  в період весняних дощів; вода в них може бути навіть кислішої, ніж в озерах, оскільки ці тимчасові водоймища утворені тільки дощовою водою з підвищеною кислотністю.

Коли середовище водних екосистем підкислене, практично всі організми швидко вимирають, якщо не із-за прямої дії іонів Н+, то із-за неможливості розмноження. Вплив кислотних опадів на екосистеми іноді посилюється в період танення снігів, коли кислотні опади, що все накопичилися за зиму, спрямовуються в струмки і річки якраз в період розмноження більшості організмів.

Додатковий збиток виникає у зв'язку з тим, що кислотні опади, просочуючись крізь грунт, здатні вилуговувати алюміній і важкі метали. Звичайно присутність цих елементів в ґрунті не створює проблем, оскільки вони зв'язані в нерозчинні з'єднання і, отже, не поглинаються рослинами. Проте при низькому значенні рН їх з'єднання розчиняються, стають доступними і надають сильну токсичну дію, як на рослини, так і на тваринах. Наприклад, алюміній, досить рясний в багатьох ґрунтах, потрапляючи в озера і річки, викликає аномалії розвитку і загибелі ембріонів риби.

Вплив на ліси. Кислотні дощі негативно впливають не тільки на тварин, але і на рослини. Досліди з моделюванням кислотних дощів в теплицях продемонстрували, що кислоти порушують захисний восковий покрив листя, роблячи рослини більш уразливими для комах, грибів і інших патогенних організмів.

Аналіз води біля різних природних угіддях за неоднакових умов показав, що кислотні опади значно збільшують вилуговування біогенів. Іони водню легко витісняють їх іони з частинок ґрунту і гумусу. Крім того, при низьких значеннях рН знижується активність редуцентів і азотфіксаторів, що ще більш загострює дефіцит біогенів. Всі ці обставини можуть викликати дефіцит біогенів, а значить, уповільнення зростання дерев і їх уразливість для природних ворогів і засух.

Крім того, при поглинанні ґрунтами кислотний дощ вилуговує  солі калія, кальцію, магнію і, відносячи  їх в шар підґрунтя, позбавляє  рослини необхідних їм живильних  речовин.

Багато рослин дуже чутливі  до алюмінію. Кислотні опади впливають на вміст алюмінію в ґрунті, а він є елементом, токсичним для рослин і тварин. Цей елемент широко поширений: він присутній в значних кількостях в багатьох гірських породах і ґрунтових мінералах. У природних умовах з'єднання алюмінію практично не розчинні, тобто присутній в недоступній для рослин формі у фазі ґрунтових мінералів і тому нешкідливі. Підкислення переводить алюміній в розчинений стан, в якому він доступний рослинам і може в них накопичуватися, надаючи токсичну дію.

Цей процес називається мобілізацією, в даному випадку алюмінію. Інші токсичні елементи, зокрема ртуть і свинець, також можуть мобілізуватися при підкисленні середовища. Все це може привести до уповільнення зростання і загибелі дерев.

Зниження буферної місткості. Захистити систему від зміни рН при додаванні кислоти може буфер. Так називається речовина, здатна поглинати або вивільняти іони водню при даному значенні рН. Коли в систему, що містить буфер, додають кислоту, додаткові іони водню їм поглинаються і рН залишається практично незмінним.

Багато водоймищ і  ґрунти як буфер містять вапняк (СаСО₃). Озера, в підстилаючих породах яких присутній вапняк (осадкова порода, що складається з карбонату кальцію СаСО₃), “чинять” опір закислянню води в них, оскільки карбонат кальцію нейтралізує кислоту:

H₂SO₄ + CaCO₃ = CaSO₄ + H₂O + CO₂ .

Фермери давно використовують вапно для нейтралізації кислих ґрунтів. Садівники охоче застосовують для тих же цілей яєчну шкаралупу, раковини устриць, що також складаються  з карбонату кальцію.

Ґрунти, так само як і водоймища, по-різному реагують на випадання кислотних опадів. Чим більше в ґрунті міститься карбонату кальцію, тим менше вона схильна до закисляння.

Проте можливості будь-якого буфера обмежена. Вапно, наприклад, просто витрачається, реагуючи з кислотою. Тому говорять про буферну місткість системи. Коли вона вичерпана, додаткові іони водню залишаються в розчині і відбувається відповідне пониження рН середовища.

При однаковій кількості  кислотних опадів в першу чергу  підкисляються і гинуть екосистеми з низькою буферною місткістю, а  ті, у яких вона дійсно висока, не страждають.

Вплив на людей  і вироби. Один з найбільш відчутних наслідків кислотних опадів - руйнування витворів мистецтва. Вапняк і мармур - улюблені матеріали для оформлення фасадів будівель і споруди пам'ятників. Під дією кислотних дощів прискорено корродируют металоконструкції, порушується цілісність лакофарбних покриттів, руйнуються будівлі і пам'ятники архітектури. Пам'ятники і будівлі, що простояли сотні і тисячі років лише з незначними змінами, зараз розчиняються і розсипаються в кришиво. Кислотні опади руйнують будівельні матеріали, утворені карбонатом кальцію (мармур, вапняк і ін.). При взаємодії з сірчаною кислотою карбонат кальцію перетворюється на гіпс (СaSO₄^. 2Н₂О), який легко кришиться, порушуючи цілісність конструкції:

 

H₂SO₄ + CaCO₃ + Н₂О = СаSO₄ ^.2H₂O + CO₂ .

 

Більш того, мобілізація  кислотними опадами алюмінію і інших  токсичних елементів може привести до забруднення як поверхневих, так і ґрунтових вод. Як показано недавно, алюміній здатний викликати хворобу Альцгеймера, різновид передчасного старіння.