Pioggia acida come si forma, composizione, reazioni ed effetti

IL pioggia acida È la precipitazione bagnata o secca delle sostanze che generano un pH inferiore a 5,6. Questa precipitazione può essere bagnata (diluita in acqua piovana) o secca (depositi di particelle o aerosol).

Il termine "Acid Rain" fu proposto per la prima volta dal ricercatore inglese Robert Angus Smith nel 1850, in piena rivoluzione industriale. Gli acidi più abbondanti che si formano nell'atmosfera sono nitrici e solforici per ossidazione di inquinanti naturali o artificiali.

Mappa della pioggia acida. Fonte: Alfredsito94 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

Gli inquinanti più rilevanti sono gli ossidi: NO2, NO3, SO2, le cui fonti naturali sono eruzioni vulcaniche, incendi boschivi e degrado batterico. Le fonti artificiali sono prodotti per le emissioni di gas della combustione di combustibili fossili (attività industriale e traffico automobilistico).

La pioggia acida provoca impatti negativi nell'ambiente come l'acidificazione di terreni e acque, che colpiscono gli esseri viventi, incluso l'essere umano. Allo stesso modo, i terreni e l'acqua sono contaminati da metalli pesanti e nei corpi d'acqua si verifica eutrofizzazione.

A livello di vegetazione, il danno diretto si verifica nelle foglie ed è influenzato dalla crescita delle piante. Inoltre, l'acidificazione del suolo immobilizza i nutrienti e colpisce le micorrize (funghi del suolo). Allo stesso modo, edifici, macchinari, monumenti e opere d'arte esposti agli agenti atmosferici sono gravemente ossidati o erosi dall'effetto degli acidi precipitati.

Per rimediare all'effetto della pioggia acida, è possibile adottare alcune misure punrali come proteggere i monumenti e correggere l'acidificazione del suolo e dell'acqua. Tuttavia, la soluzione di fondo per la pioggia acida è ridurre l'emissione all'atmosfera dei composti chimici precursori della formazione di acidi.

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Come si forma la pioggia acida?

Nebbia acida di SO2 emissioni della raffineria PDVSA in Curacao. Fonte: HDEK [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Agenti chimici precursori

Il fenomeno della pioggia acida inizia con l'emissione nell'atmosfera dei composti chimici precursori della formazione di acidi. Questi composti possono essere emessi da fonti o naturali o artificiali.

Tra le fonti naturali ci sono eruzioni vulcaniche, fuochi di vegetazione e emissioni oceaniche. Mentre le fonti artificiali agiscono emissioni industriali, veicoli a motore di combustione o bruciore di rifiuti.

Queste fonti emettono vari composti che possono generare acidi nell'atmosfera. Tuttavia, i più importanti sono gli ossidi di azoto e gli ossidi di zolfo.

Gli ossidi di azoto sono noti come NOX e includono il biossido di azoto (NO2) e l'ossido di azoto (NO). Da parte sua, l'ossido di zolfo è SO2 o biossido di zolfo.

Processo truposferico e acido prodotto

Il fenomeno della pioggia acida si verifica nella troposfera (area atmosferica che va dalla superficie terrestre a un'altezza di 16 km).

Nella troposfera, le correnti d'aria possono trasportare questi composti su qualsiasi parte del pianeta, rendendolo un problema globale. In quel processo, gli ossidi di azoto e zolfo interagiscono rispettivamente con altri composti per formare acido nitrico e acido solforico.

Supporto delle reazioni

Le reazioni chimiche possono essere eseguite su particelle sospese solide o in gocce di sospensione.

L'acido nitrico è formato principalmente nella fase gassosa, a causa della sua bassa solubilità in acqua. Da parte sua, l'acido solforico è più solubile in acqua, essendo il principale componente di pioggia acida.

Acido nitrico

Per la formazione di ossidi di azoto dell'acido nitrico (HNO3) reagiscono con l'acqua, con radicali come OH (in misura minore con HO2 e CH3O2) o con ozono troposferico (O3).

Acido solforico

Nel caso della produzione di acido solforico (H2SO4), anche i radicali OH, HO2, CH3O2, l'acqua e l'ozono. Inoltre, può essere formato reagendo con perossido di idrogeno (H2O2) e vari ossidi di metallo.

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Acido carbonico

H2Co3 si forma grazie alla reazione fotochimica dell'anidride carbonica con acqua atmosferica.

Acido cloridrico

HCL rappresenta solo il 2% della pioggia acida e il suo precursore è il metil cloruro (CLCH3). Questo composto proviene dagli oceani ed è ossidato da radicali OH per formare l'acido cloridrico.

Precipitazione

Una volta che i composti acidi (acido nitrico o acido solforico sono stati formati e in misura minore acido cloridrico), questi precipiteranno.

Le precipitazioni possono essere dovute a particelle di sospensione in cui è avvenuta la reazione della fase gassosa. Un altro modo è che nella pioggia l'acqua condensata precipita in cui si sono formati acidi.

Composizione

La naturale acidità della pioggia è vicina a un pH di 5,6, sebbene in alcune aree non contaminate valori di 5 sono stati indicati. Questi bassi valori di pH sono stati associati alla presenza di acidi naturali.

Si ritiene che a seconda del livello di pH, la pioggia può essere classificata in:

a) leggermente acido (pH tra 4,7 e 5,6)
b) moderatamente acido (pH tra 4,3 e 4.7)
c) fortemente acido (pH inferiore o uguale a 4,3).

Se la pioggia ha una concentrazione> 1,3 mg/L di nitrati e> 3 mg/L in caso di solfati, l'inquinamento è considerato elevato.

La pioggia acida è composta in più di due terzi dei casi a causa della presenza di acido solforico, seguita in abbondanza da acido nitrico. Altri componenti che possono contribuire all'acidità della pioggia sono l'acido cloridrico e l'acido carbonico.

Reazioni chimiche della pioggia acida

Formazione di acido solforico (H2SO4)

La produzione di acido solforico può verificarsi in una fase gassosa o liquida.

Fase gassosa

Solo dal 3 al 4% della SO2 si ossida in una fase solforica per produrre acido solforico. Esistono molti percorsi per la formazione di acido solforico da precursori gassosi, qui mostra la reazione di SO2 con l'ozono troposferico.

La reazione si verifica in due fasi:

1.- Il biossido di zolfo reagisce con ozono troposferico che genera triossido di zolfo e rilascio di ossigeno.

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.- Quindi il triossido di zolfo si ossida con vapore acqueo e produce acido solforico.

SO3 + H2O = H2SO4

Fase liquida

Nelle gocce d'acqua che formeranno la pioggia, l'acido solforico può verificarsi in vari modi:

1.- SO2 si dissolve nell'acido dello zolfo che genera l'acqua e questo è ossidato dal perossido di idrogeno:

SO2+H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.- Meccanismo fotocatalitico: in questo caso le particelle di ossidi di metallo (ferro, zinco, titanio) sono attivate grazie all'azione della luce solare (attivazione fotochimica) e ossidano il SO2 che genera acido solforico.

Formazione di acido nitrico (HNO3)

O3 Ozono O3 produce la trasformazione da NO2 a HNO3 in un processo a tre stadi:

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

Effetti sull'ambiente

Effetto della pioggia acida in una foresta delle montagne della Jizera nella Repubblica Ceca. Fonte: Lovecz [dominio pubblico]

Acidificazione dei terreni e i loro effetti sulla vegetazione

L'effetto della pioggia acida sul terreno varia a seconda della composizione dello stesso. Ad esempio, i terreni di origine calcarea, basaltica e ignea hanno una maggiore capacità di neutralizzare l'acidità.

Da parte loro, i terreni ricchi di quarzo come materiale inerte, non sono in grado di regolare il contenuto di acido. Pertanto, nei terreni in cui la pioggia acida aumenta l'acidità, gli ioni metallici che sono tossici per le piante e gli animali vengono rilasciati e trascinano.

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Un caso rilevante è lo scioglimento degli alluminosilati, che rilasciano ioni in alluminio molto dannosi per la vegetazione.

In generale, l'acidità del suolo riduce la disponibilità di nutrienti per le piante. Inoltre, promuove il rilascio e il lavaggio del calcio, che causano carenze nelle piante.

Effetto sulle falde acquifere e sulla salute umana

Nella maggior parte dei casi, la pioggia acida non ha alcun aspetto o sapore diverso alla pioggia normale, né genera sensazioni della pelle. I suoi effetti sulla salute dell'essere umano sono indiretti e raramente causano danni alla pelle dovuti all'estrema acidità.

Uno dei problemi di pioggia acida è che, diminuendo i valori di pH inferiori a 5, i metalli pesanti vengono rilasciati e trascinano. Questi inquinanti come l'alluminio e il cadmio possono andare alle falde acquifere sotterranee.

Se l'acqua di queste falde acquifere contaminate passa ai pozzi utilizzati per il consumo umano, può causare gravi danni alla salute.

Deterioramento di costruzioni, monumenti e materiali

Gargola danneggiata dalla pioggia acida. Fonte: Nino Barbieri [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

Pietre di tipo calcareo

Le costruzioni, i monumenti e le sculture realizzate con calcare o marmo sono molto colpite dalla pioggia acida. Questo è abbastanza grave, poiché molti edifici storici e opere d'arte sono costruiti con questi materiali.

Nel caso del calcare, la pioggia acida provoca lo scioglimento del calcare e genera la ricristallizzazione della calcite. Questa ricristallizzazione produce toni bianchi in superficie.

Nel caso specifico della pioggia con acido solforico, si verifica il fenomeno della solfatazione. Attraverso questo processo, la superficie della roccia viene trasformata in gesso e la CO2 viene rilasciata.

Il marmo, sebbene sia più resistente, è anche influenzato dalla pioggia acida. In questo caso, si verifica l'esfoliazione della pietra, quindi gli strati superficiali della stessa sono distaccati.

Altri materiali non corrosivi

In alcuni edifici il deterioramento strutturale è inferiore, ma anche con effetti negativi. Ad esempio, i depositi di acido secco sporcano le pareti, quindi i costi di manutenzione aumentano.

Metalli

La pioggia acida provoca la corrosione dei metalli a causa del fenomeno di ossidazione. Ciò provoca enormi perdite economiche, poiché le strutture, le attrezzature, i macchinari e i veicoli con parti metalliche sono gravi.

flora e fauna

Pesce morto per pioggia acida. Fonte: Servizio di pesce e fauna selvatica degli Stati Uniti. [Dominio pubblico]

La pioggia acida modifica l'equilibrio naturale degli ecosistemi acquatici e terrestri.

Piante e animali in corpi idrici lentici

I corpi idrici luntici sono più sensibili all'acidificazione, perché sono ecosistemi chiusi. Inoltre, l'accumulo di acidi nell'acqua porta conseguenze negative sulla vita che ospita.

Un'altra conseguenza dell'acidificazione è la precipitazione dei nitrati attraverso la pioggia, che provoca l'eutrofizzazione nei corpi idrici. I nutrienti in eccesso riducono l'ossigeno disponibile e influisce negativamente sulla sopravvivenza degli animali acquatici.

Un altro effetto negativo indiretto è la resistenza ai corpi idrici degli ioni metallici pesanti dall'ambiente terrestre. Questi ioni vengono rilasciati sul terreno dall'azione degli ioni idronio quando l'acidità è aumentata.

Disponibilità di vegetazione e nutrienti

I problemi più gravi causati dall'acidificazione del suolo sono l'immobilità dei nutrienti essenziali e l'aumento dei metalli tossici.

Ad esempio, l'alluminio e il magnesio vengono rilasciati dalle particelle del suolo quando sostituiti dall'idrogeno. L'alluminio influenza la struttura e la funzione delle radici e riduce l'assorbimento del calcio essenziale per le piante.

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D'altra parte, l'acidificazione del suolo provoca danni alle micorrize (funghi associati alle radici), che sono essenziali nelle dinamiche della foresta.

Danni diretti in piante e animali

L'acido solforico provoca danni diretti alle foglie degradando la clorofilla e producendo clorosi (giallo fogliare). In alcune specie la crescita e la produzione di semi vitali diminuiscono.

Gli anfibi (rane e rospi) sono particolarmente sensibili agli effetti dell'acidità idrica. Alcuni danni sono lesioni dirette e diminuzione della difesa contro i patogeni (in particolare i funghi cutanei).

Soluzioni

Ridurre le emissioni

La soluzione di fondo per la pioggia acida è quella di ridurre le emissioni all'ambiente delle sostanze chimiche dell'acido. I più importanti di questi sono gli ossidi di zolfo e azoto.

Tuttavia, ciò ha alcune difficoltà, poiché implica che influisca sugli interessi economici e di sviluppo di aziende e paesi. Ad esempio, una delle principali fonti di biossido di zolfo è la combustione del carbone che rappresenta oltre il 70% di energia in Cina.

Ci sono alcune alternative tecnologiche che possono aiutare a ridurre le emissioni. Ad esempio, nel settore i "letti fluidizzati" così chiamati incorporano assorbenti (calcare o dolomite) che mantengono SO2. Nel caso dei veicoli a motore e in generale, i motori a combustione, i convertitori catalitici sono conformi anche a ridurre le emissioni di SO2.

D'altra parte, alcuni paesi hanno implementato programmi specifici per ridurre la pioggia acida. Ad esempio, gli Stati Uniti hanno sviluppato il National Acid Acid Precipitation Valutation Program (NAPAP). Tra una qualsiasi delle misure previste da NaPap, è implementare l'uso di carburanti a basso zolfo.

Un'altra possibile misura è la sostituzione del parco automobilistico con auto elettriche per ridurre sia la pioggia acida che il riscaldamento globale. Tuttavia, sebbene esista una tecnologia per raggiungere questo obiettivo, la pressione dell'industria automobilistica e petrolifera ha ritardato decisioni al riguardo. Altri fattori che influenzano sono elementi culturali relativi alla velocità che è aspirata a raggiungere un veicolo.

Applicare misure di correzione dell'acidità

In alcuni casi il pH di terreni e acque può essere aumentato aggiungendo alcali, ad esempio incorporando grandi quantità di calce. Tuttavia, questa pratica non è fattibile in estensioni di terra molto grandi.

Protezione della superficie

Calcolo

Esistono vari metodi per proteggere o almeno ridurre il deterioramento della pietra sotto l'effetto della pioggia acida. Uno di questi metodi è lavarlo con vapore o acqua calda.

Possono anche essere usati agenti chimici come acido fluororico o bifluoruro di ammonio. Una volta lavata, la pietra può essere sigillata applicando prodotti speciali che collega i pori, come l'idrossido di bario.

Metallo

Le superfici metalliche suscettibili al corrosione possono proteggersi coprendole con un metallo non corrosivo come lo zinco.

Per questo, l'elettrodeposizione può essere applicata o sommersa dalla struttura del metallo per essere protetta nel metallo protettivo in uno stato liquido.

Riferimenti

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