Влияние кислотных осадков на экосистемы

Теоретические сведения

Для охраны окружающей среды имеет большое значение решение проблемы кислотных осадков.

Кислотными называются любые осадки - дожди, туманы, снег, -кислотность которых выше нормальной. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, более узко называемых кислотными отложениями.

Кислотные осадки обусловлены присутствием серной (Н₂SО₄) и азотной (НNОз) кислот. Обычно кислотность на две трети состоит из первой и на одну треть из второй, но во многом их соотношение определяется особенностями антропогенного загрязнения атмосферы в конкретном регионе. Присутствие в этих формулах серы и азота указывает на то, что проблема связана с выбросами данных элементов в воздух.

Загрязнение атмосферы соединениями серы. Соединения серы попадают в атмосферу, как естественным путем, так и в результате антропогенной деятельности (табл.1). При отсутствии источников загрязнения диоксид серы (SO₂) встречается в атмосфере в виде ничтожных следов. Единственным крупным естественным источником диоксида серы является вулканическая деятельность. В основном SO₂ поступает в атмосферу в результате человеческой деятельности. Главная причина загрязнения им атмосферы - сжигание ископаемого топлива, которое содержит серу. В процессе горения часть серы окисляется до SO₂. Среди используемых видов топлива первое место по поставке диоксида серы занимает каменный уголь, второе - нефть, а природный газ находится на третьем месте. Наиболее распространенными соединениями серы, поступающими в атмосферу, являются диоксид серы (SO₂),сульфиты (S0₄), сероуглерод (CS₂) и сероводород (Н₂S).

Таблица 1 Природные и антропогенные источники загрязнений атмосферы соединениями серы

Источники	Количество выбросов в год
млн т.	%
Природные Процессы разрушения биосферы Вулканическая деятельность Поверхность океанов	30-40 30 - 200 60-70	29-39 – 59-69
Антропогенные

В результате антропогенной деятельности в атмосферу попадают значительные количества серы, главным образом в виде ее диоксида. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов.

Содержание серы в угле достаточно велико. В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.

Содержание серы в различных видах ископаемого топлива приведены в табл.2.

Таблица 2. Содержание серы вразличных видах топлива

Вид топлива	Содержание серы,%
Лигнин	1,1-1,6
Северный бурый уголь	2,8 -3,3
Каменный уголь	1,4
Нефть и нефтепродукты	0.1 -3.7

Основными источниками образования SO₂ является также металлургическая промышленность (переработка сульфидных руд меди, свинца и цинка), а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти.

Основной вред окружающей среде наносит не столько сам диоксид серы, сколько продукт его окисления - S0₃. Процесс окисления осуществляется под действием кислорода на пылеобразных частицах оксидов металлов в качестве катализаторов, в атмосферной влаге или под действием солнечного света.

Газообразный SОз растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты:

SОз(газ) +Н₂0(ж) = Н₂S0₄(водн)

Загрязнение атмосферы соединениями азота. Оксиды азота образуются в атмосфере как естественным, так и антропогенным путем при горении ископаемого топлива. Загрязнение атмосферы оксидами азота в целом сравнительно невелико. Однако в районах с развитой химической промышленностью имеются локальные зоны повышенного содержания N0, N0₂ в воздухе (табл.3)

Таблица 3. Соединения азота и их концентрации в приземном слое атмосферы

Соединение	Концентрация азота, мкг/м3
загрязненный район	отдаленный район	океан
NO	5 - 50	0.05 - 0.5	0.05
NO2	5-50	0,2 - 2,0	0,2
HNO3		0.2- 2	0.2
NH3	-	0.1 - 10	0.3
NO3		0.1 - 0.4	0.02
NH4	-	1,0 - 2,0	0.4

Основными антропогенными источниками поступления оксидов азота в атмосферу является сжигание всех видов природного топлива (12 млн.т./год), транспорт (8 млн.т./год) и промышленность (1 млн.т./год).

Монооксид азота N0 образуется в малых количествах в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания при прямом взаимодействии кислорода с азотом. В среднем выделение N0 автомобилем составляет 1-2 грамма на 1 км пробега.

Одним из важных свойств N0 является его способность реагировать с кислородом с образованием N0₂:

2NО (г) + О₂ = 2 N0₂

Вследствие этой реакции некоторое количество диоксида азота присутствует в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания.

Газообразный диоксид азота растворяется в капельках влаги с образованием азотной кислоты:

ЗN0₂ + Н₂0 = 2НN0₃ + N0

Вымывая из атмосферы Н₂S0₄ и НNО₃, осадки становятся кислотными. Их рН зависит от количества как кислот, так и воды, в которой они растворены. Сильные дожди обычно менее кислотные. У туманов рН может упасть ниже всего, поскольку здесь кислоты растворены в относительно меньшем количестве влаги.

В настоящее время известно, что кислоты могут выпадать из атмосферы и без воды, сами по себе или с частицами пыли. Такие сухие кислотные отложения могут накапливаться на поверхности растений и при смачивании небольшим количеством влаги, например, при выпадении росы, давать сильные кислоты. Следовательно, к кислотным осадкам надо отнести и кислотную росу.

Мерой кислотности воды является концентрация ионов водорода [Н⁺], выраженная в моль/л. Молекула воды слабо диссоциирует с образованием ионов водорода Н⁺ и гидроксид- ионов ОН^-

Н₂О « Н⁺ + ОН^- .

В пробе чистой воды концентрации [Н⁺ ] и [ОН^-] равны между собой и эти величины при 25 ⁰ С составляют 10^-7 моль/л. Растворы с одинаковыми концентрациями ионов водорода и гидроксид-ионов называются нейтральными:

[Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7 моль/л .

Обычно кислотность раствора выражают другим способом. Вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Эта величина называется водородный показатель и обозначается рН

рН=-lg[Н⁺].

Так как -lg 10^-7 = 7, значит, рН=7 характеризует нейтральные растворы.

В кислой среде концентрация [Н⁺] больше [ОН^-], а в щелочных, наоборот, концентрация гидроксид-ионов больше, чем ионов водорода:

[H⁺] > [OH^-] , [H⁺] > 10^-7 , pH< 7 - кислая среда

[H⁺] < [OH^-] , [H⁺] < 10^-7 , pH > 7 - щелочная среда.

Чистая дождевая вода не является нейтральной. В отсутствие любых загрязнителей у дождевой воды обычно слабокислая реакция (рН=5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты (содержание углекислого газа в воздухе примерно 0,032% по объему или 0,046% по массе). В результате образуется слабая угольная кислота:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ .

Таким образом, кислотными точнее называть осадки с рН 5,5 и ниже. Кислотные осадки выпадают в большинстве промышленных районов мира. Над восточной частью США и Канады, вдоль западного побережья Северной Америки, а также почти над всей Европой рН дождя и снега обычно составляет около 4.5. Многие места в пределах этих регионов регулярно получают осадки с рН 4.0. В отдельных случаях рН дождя может быть гораздо ниже, а туман и роса бывают более кислыми, чем дождь.

Влияние кислотных осадков на экосистемы

Уже более ста лет кислотные осадки признаются серьезной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах, но их влияние на экосистемы было отмечено только около 35 лет назад, когда рыбаки заметили резкое сокращение популяций рыбы во многих озерах Швейцарии, провинции Онтарио (Канада) и гор Адирондак (штат Нью-Йорк). Шведские ученые первыми определили, что все дело в повышенной кислотности воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. С тех пор выяснились различные пути разрушительного влияния кислотных осадков на экосистемы:

Схема возможных направлений влияния кислотных осадков на окружающую среду и человека.

Влияние на водные экосистемы. Значение рН среды чрезвычайно важно, т.к. от него зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и развитие. Особенно подвержены влиянию рН яйцеклетка, сперма и молодь. У пресноводных озер, ручьев и прудов рН воды обычно составляет 6-7, и организмы адаптированы именно к этому уровню. При изменении рН воды всего лишь на одну единицу по сравнению с оптимумом они в большинстве случаев испытывают серьезный стресс и часто погибают.

Наиболее очевидное влияние кислотные осадки оказывают на водные экосистемы. В пресноводных водоемах рН воды обычно равен 6 - 7. Снижение рН до 5 приводит к постепенному вымиранию рыб. Однако нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает в большом числе из-за повышенной кислотности воды в этих озерах. На самом деле сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметать икру в кислой воде, если же икра все-таки попадает в воду, то она либо погибает, либо из нее вылупляются нежизнеспособные мальки.

Во многих районах, где количество рыбы уменьшилось вследствие кислотных дожей, наблюдались очень холодные зимы с обильными снегопадами. При таянии окрестных снегов подкисленная вода стекает в озера, что приводит к резкому увеличению кислотности. Таяние снегов и повышение кислотности по времени совпадают с нерестом рыб. Таким образом, вымеченная икра попадает в максимально кислую воду, которая наблюдается в течение года. Можно предположить, что по мере сокращения численности рыбы будет уменьшаться и численность тех видов животных, которые питаются рыбой, таких, как белоголовый орлан, гагары, скопа, а также выдра, норка и др.

Из-за воздействия кислотных дождей может сокращаться численность лягушек, жаб и тритонов. Многие из этих видов размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью.

Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстро вымирают, если не из-за прямого воздействия ионов Н⁺, то из-за невозможности размножения. Влияние кислотных осадков на экосистемы иногда усиливается в период таяния снегов, когда все накопившиеся за зиму кислотные осадки устремляются в ручьи и реки как раз в период размножения большинства организмов.

Дополнительный ущерб возникает в связи с тем, что кислотные осадки, просачиваясь сквозь почву, способны выщелачивать алюминий и тяжелые металлы. Обычно присутствие этих элементов в почве не создает проблем, так как они связаны в нерастворимые соединения и, следовательно, не поглощаются растениями. Однако при низком значении рН их соединения растворяются, становятся доступными и оказывают сильное токсическое воздействие, как на растения, так и на животных. Например, алюминий, довольно обильный во многих почвах, попадая в озера и реки, вызывает аномалии развития и гибели эмбрионов рыбы.

Влияние на леса. Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Опыты с моделированием кислотных дождей в теплицах продемонстрировали, что кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов.

Анализ воды дренирующих различные природные угодья при неодинаковых условиях показал, что кислотные осадки значительно увеличивают выщелачивание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют их ионы с частиц почвы и гумуса. Кроме того, при низких значениях рН понижается активность редуцентов и азотфиксаторов, что еще более обостряет дефицит биогенов. Все эти обстоятельства могут вызвать дефицит биогенов, а значит, замедление роста деревьев и их уязвимость для естественных врагов и засух.

Кроме того, при поглощении почвами кислотный дождь выщелачивает соли калия, кальция, магния и, унося их в подпочвенный слой, лишает растения необходимых им питательных веществ.

Многие растения очень чувствительны к алюминию. Кислотные осадки влияют на содержание алюминия в почве, а он является элементом, токсичным для растений и животных. Этот элемент широко распространен: он присутствует в значительных количествах во многих горных породах и почвенных минералах. В естественных условиях соединения алюминия практически не растворимы, т.е. присутствует в недоступной для растений форме в фазе почвенных минералов и поэтому безвредны. Подкисление переводит алюминий в растворенное состояние, в котором он доступен растениям и может в них накапливаться, оказывая токсическое действие.

Этот процесс называется мобилизацией, в данном случае алюминия. Другие токсичные элементы, в том числе ртуть и свинец, также могут мобилизоваться при подкислении среды. Всё это может привести к замедлению роста и гибели деревьев.

Снижение буферной ёмкости. Защитить систему от изменения рН при добавлении кислоты может буфер. Так называется вещество, способное поглощать (или высвобождать ионы водорода при данном значении рН. Когда в систему, содержащую буфер, добавляют кислоту, дополнительные ионы водорода им поглощаются и рН остаётся практически неизменным.

Многие водоемы и почвы в качестве буфера содержат известняк (СаСОз). Озера, в подстилающих породах которых присутствует известняк (осадочная порода, состоящая из карбоната кальция СаСО₃), “сопротивляются” закислению воды в них, поскольку карбонат кальция нейтрализует кислоту:

H₂SO₄ + CaCO₃ = CaSO₄ + H₂O + CO₂ .

Фермеры давно используют известь для нейтрализации кислых почв. Садовники охотно применяют для тех же целей яичную скорлупу, раковины устриц, также состоящие из карбоната кальция.

Почвы, так же как и водоемы, по-разному реагируют на выпадение кислотных осадков. Чем больше в почве содержится карбоната кальция, тем меньше она подвержена закислению.

Однако возможности любого буфера ограничены. Известь, например, просто расходуется, реагируя с кислотой. Поэтому говорят о буферной емкости системы. Когда она исчерпана, дополнительные ионы водорода остаются в растворе, и происходит соответствующее понижение рН среды.

При одинаковом количестве кислотных осадков в первую очередь подкисляются и гибнут экосистемы с низкой буферной емкостью, а те, у которых она действительно высока, не страдают.

Влияние на людей и изделия. Одно из наиболее ощутимых последствий кислотных осадков - разрушение произведений искусства. Известняк и мрамор - излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Под действием кислотных дождей ускоренно корродируют металлоконструкции, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, разрушаются здания и памятники архитектуры. Памятники и здания, простоявшие сотни и тысячи лет лишь с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево. Кислотные осадки разрушают строительные материалы, образованные карбонатом кальция (мрамор, известняк и др.). При взаимодействии с серной кислотой карбонат кальция превращается в гипс (СaSO₄^. 2Н₂О), который легко крошится, нарушая целостность конструкции:

Н₂О

H₂SO₄ + CaCO₃ = СаSO₄ ^.2H₂O + CO₂ .

Более того, мобилизация кислотными осадками алюминия и других токсичных элементов может привести к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод. Как показано недавно, алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность преждевременного старения.

Однако если выпадение кислотных осадков будет и в дальнейшем продолжаться в прежнем объеме, гораздо большее воздействие на человечество окажут потери озер и лесов, их экономической, экологической и эстетической ценности, а также последствия усиленной почвенной эрозии. Очевидно, что отсутствие приемлемой стратегии борьбы с этими осадками подрывает основы устойчивого развития общества.

Для предупреждения опасного воздействия кислотных осадков на экосистемы и антропогенные сооружения необходимо добиваться снижения выбросов в атмосферу оксидов серы и азота.

Выполнение работы

V₁=4 мл V_H+=25 мл

V₂=3,3 мл C_OH-=0,004 (г*экв)/л

V₃=2,9 мл

V_ср=(V₁+V₂+V₃)/3=3,4 мл

С_ОН^- V_ср

С_[Н+]=__________= 5,44*10^-4 (г*экв)/л

V_Н⁺

pH=– lg С_[Н+]=3,26

Вывод: pH=3,26, следовательно, получившийся в ходе выполнения работы осадок является кислотным, т.к. pH<7.