4.7 Happosateiden kemia
Oppimistavoite
- Ymmärtää happosateiden kemiaa.
Happoemäksisillä reaktioilla voi olla suuria ympäristövaikutuksia. Esimerkiksi sateen ja lumen happamuuden dramaattinen lisääntyminen viimeisten 150 vuoden aikana liuottaa marmori- ja kalkkikivipintoja, kiihdyttää metalliesineiden korroosiota ja laskee luonnonvesien pH:ta. Tätä ympäristöongelmaa kutsutaan happamaksi sateeksiSademäärä, joka on ihmisen toiminnan vuoksi dramaattisesti happamoitunut. ja sillä on merkittäviä seurauksia kaikille eläville organismeille. Happamien sateiden ymmärtäminen edellyttää happo-emäsreaktioiden ymmärtämistä vesiliuoksessa.
Käsite happamat sateet on itse asiassa jokseenkin harhaanjohtava, koska jopa puhdas sadevesi, joka on kerätty sivilisaatiosta kaukaisilta alueilta, on lievästi hapanta (pH ≈ 5,6) johtuen liuenneesta hiilidioksidista, joka reagoi veden kanssa muodostaen hiilihappoa, joka on heikko happo:
Yhtälö 4.44
CO2(g) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) ⇌ H+(aq) + HCO3-(aq)
Englantilaisen kemistin Robert Angus Smithin katsotaan yleisesti keksineen vuonna 1872 ilmauksen happosade kuvaamaan sateen lisääntynyttä happamuutta Ison-Britannian teollisuuskeskittymissä (esim. Manchesterissa), joka johtui ilmeisesti alkuvaiheen teollisen vallankumouksen hillittömistä ylilyönneistä, vaikkakaan yhteyttä ei vielä ymmärretty. Tuohon aikaan ei ollut olemassa hyvää tapaa mitata vetyionien pitoisuuksia, joten Smithin havaitseman sateen todellista pH:ta on vaikea tietää. Tyypilliset sateen pH-arvot Yhdysvaltojen mantereella vaihtelevat nykyään välillä 4-4,5, ja Los Angelesin kaltaisilla alueilla on raportoitu jopa 2,0:n arvoja. Muistetaan kuvasta 4.15 ”A Plot of pH versus , jota esiintyy joissakin maaperissä, on liukenematon. Alhaisemmilla pH-arvoilla Al(OH)3 kuitenkin liukenee seuraavan reaktion kautta:
Yhtälö 4.53
Al(OH)3(s) + 3H+(aq) → Al3+(aq) + 3H2O(l)
Tuloksena on kohonnut Al3+-ionien määrä pohjavedessä. Koska Al3+-ioni on myrkyllinen kasveille, suuret pitoisuudet voivat vaikuttaa kasvien kasvuun. Happosade voi myös heikentää kasvien lehtiä ja juuria niin paljon, että kasvit eivät kestä muita rasituksia. Näiden kahden vaikutuksen yhdistelmä voi aiheuttaa merkittävää vahinkoa vakiintuneille metsille, kuten Mustalle metsälle Saksassa sekä Yhdysvaltojen koillisosan ja Kanadan ja muiden maiden metsille (kuva 4.19 ”Happosateiden aiheuttamat metsävahingot Tšekissä”).
Kuva 4.19 Happosateiden aiheuttamat metsävahingot Tšekissä
Puut ja lukuisat muutkin kasvit reagoivat herkästi alumiinille ja muille metalleille, jotka ovat pohjavedessä. Happamat sateet lisäävät Al3+ -pitoisuutta pohjavedessä, mikä vaikuttaa haitallisesti kasvien kasvuun. Suuret osat vakiintuneista metsistä ovat vaurioituneet vakavasti.
Yhteenveto
Hapan sade on sadetta, jonka pH-arvo on liuenneen hiilidioksidin vuoksi alle 5,6, mikä on tyypillinen havaittu arvo. Hapan sade johtuu typen oksideista ja rikkidioksidista, joita syntyy sekä luonnollisissa prosesseissa että fossiilisten polttoaineiden poltossa. Lopulta nämä oksidit reagoivat hapen ja veden kanssa muodostaen typpihappoa ja rikkihappoa.
Key Takeaway
- Happosateiden vahingolliset vaikutukset ovat johtaneet siihen, että teollisuuteen kohdistuu voimakkaita paineita haitallisten reagoivien aineiden päästöjen minimoimiseksi.
Käsitteellisiä ongelmia
-
Miksi suositellaan, että marmorisia työtasoja ei käytetä keittiöissä? Marmori koostuu suurimmaksi osaksi CaCO3:sta.
-
Selitä, miksi fossiilisten polttoaineiden rikinpoistoa tutkitaan kiivaasti.
-
Mikä on NOx:n rooli happamien sateiden muodostumisessa?