Сингх Владимир, 9А
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей» г. Дедовска
2010-2011 год
Введение
«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».
Жан Батист Ламарк
Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией ионов водорода в одном литре раствора (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН - и характеризуется их концентрацией. Шкала кислотности лежит в интервале от pH = 0 (высокая кислотность) через pH = 7 (нейтральная среда) до pH = 14 (высокая щелочность). Изменение значения pH на единицу соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз. Однако вода обычного дождя представляет собой слабокислый раствор, в котором показатель кислотности рН дождевой воды равняется 5.6-5.7. Кислотные дожди обозначает осадки с pH меньше 5,7. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO2 + H2O —> H2CO3). Показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота. В дождевой воде присутствуют, и катионы щелочных элементов (Na+, K+) и анионы (HCO3- , Cl- и др.), практически нет катионов щелочноземельных элементов (Ca+2, Mg+2).
Кислотный дождь это все виды метеорологических осадков — дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами, в основном оксидами серы и оксидами азота. Термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».
Впервые в 1950-х гг. кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в Скандинавии, и Северной Америке. В среднем кислотный показатель осадков pH, выпадающих в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн. км2, меняется от pH 5 до 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 связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азот эта проблема приобрела особое значение во всем индустриальном мире. 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.
В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота см. таблицу (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. Больше всего окисленной серы из России направляется в страны Скандинавии. Соотношения здесь такие: с Украиной - 1:17, с Польшей - 1:32, с Норвегией - 7:1.
I.Возникновение и состав кислотных дождей
Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере, испытывая частичное или полное химическое превращение. При этом может меняться агрегатное состояние. Эти процессы идут параллельно их распространению. Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие азотной (HNO3) и серной (H2SO4) кислот. Около 2/3 кислотных осадков составляют аэрозоли серной и сернистой кислот, остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот. Присутствие соединений азота и серы связано с выбросом этих элементов в атмосферу. Схема образования кислотных аэрозолей и дождей приведена на рис.1.
1.1Источники азота и серы в атмосферу
Источники соединений азота (рис.6б):
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 течение 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 течение 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. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения.
Оксиды азота образуются и при горении имеющихся в топливе азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодно выбрасывает в воздушный бассейн 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.
Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн. т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн. т), примерно 30% их приходится на долю США, 25% – на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов – на долю России. В табл. приведены выбросы вредных веществ в атмосферу в России с 1993-1997г.
Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов – сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами. 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 двуокись азота NO2 и аммиак NH3.
Атмосферный аммиак:
Аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения:
NH3 + H2SO4 = NH4HSO4
NH3 + NH4HSO4 = (NH4)2SO4
NH3 + HNO3 = NH4NO3
Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Ученым удалось установить, что активность бактерии, приводящая, в конечном счете, к образованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Америка и Северная Европа), особенно в зимние месяцы, выделение аммиака почвой может быть незначительным. В то же время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются нейтрализации и, таким образом, возрастает опасность выпадения кислотного дождя. В процессе распада мочи домашних животных высвобождается большое количество аммиака. Этот источник аммиака настолько значителен, что в Европе он превышает возможности выделения аммиака почвой.
Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн. т оксидов азота.
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. В состоянии плазмы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн. т в год.