Определение рН кислотных осадков

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	60–70	59–69

 

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 ⁰С 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.