Кислотные осадки

Одна из важнейших экологических проблем, с которой связывают окисление природной среды - кислотные осадки. Кислота – любое химическое соединение, способное отдавать протон, например, высвобождающиеся при растворении в воде ионы водорода (Н⁺). Наиболее распространенные химические соединения

· хлорат - НCl ®H⁺ + Cl^-,

· сульфат - H₂SO₄®2H⁺ + SO₄^-,

· нитрат - HNO₃®H⁺ + NO₃^-,

· фосфат - H₃PO₄®3H⁺ + PO₄^-.

Количественной характеристикой кислотности осадков является водородный показатель рН, который характеризует активность или концентрацию ионов водорода в растворах и численно равен десятичному логарифму этой активности или концентрации выраженной в [моль/дм³]: рН = - lg [H⁺]. Зная концентрации ионов водорода [H⁺], можно рассчитать рН раствора и, наоборот, зная рН, можно вычислить концентрации ионов водорода.

В отсутствие загрязнителей атмосферная вода имеет рН = 5,6. При наличии в атмосфере кислых газов (SO₂, NO_x, HCl и др.) рН осадков становится меньше, чем 5,6 и выпадают «кислотные осадки» - это дождь, снег, туман, пыль.

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 особенно тревожная ситуация сложилась в Центральном, Приволжском, Уральском и Сибирском федеральных округах. Особенно загрязнены г. Норильск, города Кемеровской и Новосибирской областей, Красноярского и Алтайского краев. В Москве и Санкт-Петербурге с кислотными дождями на землю в год выпадает до 1300 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 диок­сиды 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, к сожалению, сопровождается закислением окружающей среды. Дело осложняется еще и тем, что трубы современных теплоэлектростанций стали в высоту достигать 250…300, и даже 400 м, следовательно, выбросы в атмосферу теперь рассеиваются на огромные территории.

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.

В 70 - х годах XX века 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 небеспредельные.

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 так называемая 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 кроны редеют, 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.

Наиболее подверженными вредоносному воздействию кислотных осадков являются листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника. Наиболее 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 (H₂SO₄) 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 портландского известняка разъеден на 2,5 см. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме.

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.

Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные потреблять питьевую воду, загрязненную токсическими металлами — ртутью, свинцом, кадмием и т. п.

В результате выпадения кислотных осадков произошло изменение почти всех природных экосистем. Первыми жертвами стали водоемы, которые погибают при кислотности рН < 4,5, поскольку все живые существа не выносят такой кислотности, а это в свою очередь влияет на весь животный мир. Все это может привести к разрыву пищевых цепей и изменить экологическое равновесие в океанической экосистеме.

Главными «поставщиками» загрязнений в атмосферный воздух являются США, индустриально развитые страны Европы (Англия, Германия, Франция, Италия, Польша и др.), Китай, Россия, Украина и Канада.

Необходимо спасать природу от закисления! 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 примерно 130 станций, отбирающие на химический анализ суммарные пробы, и 160 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 484 пунктах. Забираются пробы на наличие ионов сульфата, нитрата аммония, тяжелых металлов, определяют значение рН. В Новосибирске, например, в этой работе ежегодно участвуют преподаватели и студенты химического факультета Новосибирского государственного университета.

Развитие промышленности и особенно транспорта, освоение новых источников энергии приводит к тому, что количество промышленных выбросов увеличивается с каждым годом.