Химический реактор в каждой капле - Кислотные дожди и кислотообразующие выбросы

1) Что такое кислотность?

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН - и характеризуется их концентрацией C(ОН-).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов - величина постоянная, равная:

C(H+)C(ОН-) = 10-14,

Другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10-7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10-7 < C(H+) Ј 100,

Для щелочных сред:

10-14 Ј C(H+) < 10-7.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

РН = - lgC(H+).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10-5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность).

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО2 + Н2О Н2СО3.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов - химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы - фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Достаточно точно показатель кислотности рН измеряется с помощью индикаторной бумаги, содержащей кислотореагирующие пигменты (демонстрируется определение рН различных веществ, указанных на плакате (см. рис. 1) с помощью полосок индикаторной бумаги из блокнота).

2) Откуда что берется?

Если расположить кислоты по мере уменьшения их содержания в дождевой капле, то мы получим такой ряд: серная, азотная, муравьиная, щавелевая и уксусная. Их концентрации отличаются примерно в десять раз при переходе от одной кислоты к другой. Больше всего в дождевой капле серной кислоты. Откуда же она там берется, если, как мы упомянули выше, это не простое растворение сернистого газа?

Над поверхностью океана, в фоновой атмосфере, реализуются целых три механизма. Основной механизм, по которому над океаном образуется серная кислота, заключается в окислении сернистой кислоты перекисью водорода.

Это автокаталитический процесс, так как для его протекания нужен Н+, который получается в этой же реакции.

Но серная кислота может образовываться и в газовой фазе. В этой реакции участвует главный чистильщик атмосферы, свободный гидроксил - ОН (его в атмосфере примерно 106 штук/см3, и образуется он благодаря озону.

Газовые молекулы соединяются, и образуются микрокапельки концентрированной серной кислоты. Эта капелька может стать центром конденсации, слиться с облачной каплей или прореагировать с аммиаком и дать кислый сернокислый аммоний, который тоже может быть центром конденсации.

Но серная кислота может получаться еще и третьим способом -- в растворе, но опять же с помощью ОН-радикала.

Реакция цепная, так как образуется радикал SO3, который может снова реагировать с кислородом, и т. д. Правда, длинной цепи не получается, поскольку концентрация сернистой кислоты в капле над океаном небольшая.

Помимо SO2в морской капле растворяется и формальдегид, который получается после окисления метана в атмосфере. Образуется гидратированная форма формальдегида; его концентрация в капле даже выше, чем сернистой кислоты, и он тоже реагирует с ОН-радикалом. В результате ряда реакций получается муравьиная кислота НСООН. Окисляясь, она дает щавелевую. Однако, несмотря на весь этот букет реакций, кислотность облаков морской атмосферы небольшая (рН редко опускается ниже 5).

А что же происходит над промышленными районами? Во-первых, там намного больше SO2,но самое неприятное то, что над индустриальными районами работает совсем другой механизм образования серной кислоты, который мало зависит от содержания ОН-радикала. Мы уже говорили, что в каплях дождя находят также ионы железа и марганца. И вот оказалось (согласно последним работам ученых, занимающихся химией атмосферы), что над промышленными районами протекает не только цепной процесс окисления сернистой кислоты в серную, но и каталитический. То есть ионы железа работают катализатором окисления сульфита, а Мn еще и многократно ускоряет этот процесс. Причем эти катализаторы настолько активны, что роль ОН-радикала становится малозначимой.

Получается сочетание каталитического и цепного процессов -- цепно-каталитическая реакция. И если над океаном окисление происходит в основном днем, когда ОН-радикалов много, то над загрязненными районами каталитическое окисление сернистого газа идет с той же скоростью и днем и ночью.

Облака, которые образуются в индустриальной атмосфере, могут иметь рН=3. Кстати, почему рН дождевой капли только 3, а не 2 и не 1? Растворимость разных веществ в воде связана с тем, реагируют они с водой или нет. Например, Н202 просто растворяется в капле, не претерпевая изменений. А вот SO2 растворяется и превращается в серную кислоту, которая диссоциирует. А так как вещество переходит в другие химические формы, его растворимость резко возрастает. Понятно, что чем больше концентрация ионов водорода в воде, тем меньше будет растворяться SO2так как равновесие диссоциации и растворения будет сдвинуто влево. То есть капля образовалась, набрала SO2,который содержится в виде Н303~, началась химическая реакция, рН стал уменьшаться, и растворимость SO2стала падать. Получается, что эта реакция -- самотормозящаяся: она начинается с одной скоростью и идет потом все медленнее и медленнее. Поэтому за один час, то есть за всю свою жизнь, капля успевает снизить свой рН только до 3.

С азотной кислотой, которую находят в дожде, все гораздо проще, так как она образуется в результате простого растворения. В атмосфере есть практически все окислы азота, из которых и получаются азотная и азотистая кислоты. Азотные окислы попадают в атмосферу в результате сжигания угля, нефти, газа, мазута и бензина в двигателях внутреннего сгорания.

Кислотный дождь вода химический

Похожие статьи




Химический реактор в каждой капле - Кислотные дожди и кислотообразующие выбросы

Предыдущая | Следующая