高一化学酸雨的形成.ppt

酸 雨,酸雨,酸雨的形成,酸雨的分布,酸雨的危害,酸雨与环境,酸雨的监测,酸雨的控制,酸雨的发现,近代工业革命，从蒸气机开始，锅炉烧煤,产生蒸汽,推动机器；而后火力电厂星罗齐布,燃煤数量日益猛增。遗憾地是，煤含杂质硫，约百分之一，在燃烧中将排放酸性气体 SO2；燃烧产生的高温尚能促使助燃的空气发生部分化学变化，氧气与氮气化合，也排放酸性气体NOx。它们在高空中为雨雪冲刷，溶解，雨成为了酸雨；这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和铵离子。1872年英国科学家史密斯分析了伦顿市雨水成份，发现它呈酸性，且农村雨水中含碳酸铵，酸性不大；郊区雨水含硫酸铵，略呈酸性；市区雨水含硫酸或酸性的硫酸盐,呈酸性。于是史密斯首先在他的著作空气和降雨：化学气候学的开端中提出“酸雨”一专有名词。,未被污染的雨雪是中性的，pH值近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性，pH值为5.65。被大气中存在的酸性气体污染,pH值小于5.65的雨叫酸雨；pH值小于5.65的雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾,pH值小于5.65时叫酸雾。,什么是酸雨?,什么是酸雨区?,某地收集到酸雨样品,还不能算是酸雨区,因为一年可有数十场雨,某场雨可能是酸雨,某场雨可能不是酸雨,所以要看年均值。目前我国定义酸雨区的科学标准尚在讨论之中,但一般认为:年均降水pH值高于5.65,酸雨率是0-20%,为非酸雨区;pH值在5.30-5.60之间,酸雨率是10-40%,为轻酸雨区;pH值在5.00-5.30之间,酸雨率是30-60%,为中度酸雨区;pH值在4.70-5.00之间,酸雨率是50-80%,为较重酸雨区;pH值小于4.70,酸雨率是70-100%,为重酸雨区。这就是所谓的五级标准。,空中的酸碱物质与酸雨,现代工业、农业和交通排放更大量，种类更多的污染物(包括酸碱性物质),且与尘埃一起升到高空,通过扩散、迁移、转化而后重力沉降到地面，或经雨雪冲刷到达地面。酸性物质可破坏植被,酸化土壤,酸化水域，造成水生和陆地生态失衡，加速岩石风化和金属腐蚀,自然活动和人类活动向大气排放若干物质形成酸雨；其中有的物质是中性的,如风吹浪沫漂向空中的海盐,NaCl,KCl 等；有的物质是酸性的，如SOx 和NOx 及酸性尘埃(火山灰)等；有的是碱性的，如 NH3及来自风扫沙漠和碱性土壤扬起的颗粒；有的本身并无酸碱性,但在酸碱物质的的迁移转化中可起催化作用，如CO和臭氧；降水的pH值是它们在雨水冲刷过程中相互作用和彼此中和的结果。,酸性物质SOx的天然排放,酸性物质SOx 有四类天然排放源：海洋雾沫,它们会夹带一些硫酸到空中；土壤中某些机体，如动物死尸和植物败叶在细菌作用下可分解某些硫化物，继而转化为SOx；火山爆发,也将喷出可观量的SOx气体；雷电和干热引起的森林火灾也是一种天然SOx 排放源,因为树木也含有微量硫。,化石燃料与酸雨,酸性物质SOx，NOx排放人工源之一，是煤、石油和天然气等化石燃料燃烧，无论是煤，或石油，或天然气都是在地下埋藏多少亿年，由古代的动植物化石转化而来,故称做化石燃料。科学家粗略估计，1990年我国化石燃料约消耗近700百万吨；仅占世界消耗总量的12%,人均相比并不惊人；但是我国近几十年来,化石燃料消耗的增加速度,实在太快,1950年至1990年的四十年间,增加了30倍。不能不引起足够重视。,工业过程与酸雨,酸性物质SOx,NOx排放人工源之二是工业过程,如金属冶炼：某些有色金属的矿石是硫化物,铜,铅,锌便是如此,将铜,铅,锌硫化物矿石还原为金属过程中将逸出大量SOx气体,部分回收为硫酸,部分进入大气。再如化工生产，特别是硫酸生产和硝酸生产可分别跑冒滴漏可观量SOx和NOx,由于NO2带有淡棕的黄色，因此,工厂尾气所排出的带有NOx 的废气象一条“黄龙”,在空中飘荡，控制和消除“黄龙”被称做“灭黄龙工程”。再如石油炼制等,也能产生一定量的SOx和NOx。它们集中在某些工业城市中，也比较容易得到控制。,土法炼硫,炼出了赤地千里,80年代初期,云南某地区乡镇企业起步,片面追求利润,实施 土法炼硫,工艺陈旧落后,硫的回收率仅达 30%。其余的硫都燃烧成为 SO2,迷漫于大气之中,加之云南气候湿润，有人曾收集检测到每场降雨都是酸雨,pH值可达到 3.2-3.8。其后果是生产区周围,树上看不到昆虫,地下找不到蚂蚁,天上望不到飞鸟,1500亩良田寸草不长,一片荒凉的灾区景象。1993年采取了一系列治理措施,问题已得到缓解。,某硫酸厂年产10万吨硫酸,通过废气向大气排放SO2 3750吨。厂区两平方公里范围被严重污染,形成局地酸雨。厂区降水pH值的最低值达到3.63;平均pH值为4.41;为重酸雨区。,硫酸厂周围的酸雨区,交通运输与酸雨,酸性物质SOx、NOx排放人工源之三是交通运输,如汽车尾气。在发动机内,活塞频繁打出火花，象天空中闪电,N2变成NOx。不同的车型,尾气中NOx 的浓度有多有少，机械性能较差的或使用寿命已较长的发动机尾气中的NOx 浓度要高。汽车停在十字路口,不息火等待通过时,要比正常行车尾气中的NOx浓度要高。近年来,我国各种汽车数量猛增,它的尾气对酸雨的贡献正在逐年上升,不能掉以轻心。人们常说车祸猛于虎,因为车祸看得见摸得着,血肉模糊,容易引起震动；污染是无形的,影响短时间看不出来,容易被人忽视。,黑雨,1994年重庆及其郊区下了数场黑雨,色如墨汁,且有强酸性。人们发生了恐慌，纷纷询问地区环保部门，欲知其详。经化学分析,黑色物是煤屑，原来在锅炉内化石燃料未能燃烧充分,析出一些细的碳粒，也通过烟囱排向高空。酸性物主要是硫酸根,来自煤中燃烧的杂质硫。结论是：黑雨就是强酸性雨；也可以说是酸雨发展到某种极端情况。,黑雪,无独有偶,1991年我国喜马拉雅山区,下了数场“黑雪”。它来自于中东战争,伊拉克军队从科威特撤退时,放了一把大火,主要油气井火光冲天,喷出浓浓的黑烟,夹杂令人窒息SOx和NOx气味,直向高空，随风漂向东方,遇到喜马拉雅高山,难以跨越,随雪落下,成为有酸性的黑雪。人迹罕至的世界屋脊也未能逃出“空中死神”的灾难。,酸 雾,其实,酸雾不止高空有,大气污染严重的城市的临近地面也有。重庆是我国有名的雾都,每年大雾日数居各大中城市之冠;蒙胧而飘渺的雾是重庆久富盛名的景观之一。重庆又是严重酸雨污染的城市,雾也免不了酸化。80年代,全市酸雾pH平均值为4.39;市区最低值达到2.98,是典型的酸雾。雾滴是尺度微细的飘浮空中的水滴,极易吸附和吸收各种酸性气体和颗粒物,因此,雾滴所含污染物的浓度特别大,其总离子浓度最高值竟达到9.7 克/升,占雾滴重量的近 1%,较同期雨水含量高出十余倍。经医务工作者潜心研究,认明此种酸雾对儿童的呼吸系统十分有害。由于污染物浓度大,含水少,厚度大,能见度越来越低劣。其次生效应,诸如车祸等,更加不容忽视。,我国目前酸雨的主要责任者 燃煤中的杂质硫,与石油和天然气相比,在我国煤的消耗量要多得多。一般估计煤的消耗量占化石燃料总消耗量的90%左右。而煤的燃烧排放SOx 的数量,除了决定于煤的消耗数量,尚决定于煤的含硫量。我国幅员辽阔，煤矿分布十分分散。我国南方产煤含硫量比北方要高,特别是西南地区,产含硫量高煤的中小煤窑如满天星斗,其含硫量要比东北和华北地区产的高叁肆倍，当地居民称之为“臭煤”,因为家庭炊饭的炉子烧用此煤，能发出令人窒息的恶臭气味,它就SOx。一般情况是当地消耗当地产的煤,以减少运输过程的损失和增加成本,这也加速了我国长江以南酸雨区域的形成。此外，我国产石油和天然气含硫量一般比煤要低得多。而且它们的年消耗量为煤的消耗量的十分之一左右,因此，燃煤中的杂质硫将是我国目前酸雨的主要负责者。,空中的海盐粒,氯化物排放天然源之一是海风扬起的雾沫，雾沫中含有海盐，海盐的主要成份是氯化物,如氯化钠,氯化钾,氯化镁等,氯化物排放人工源,氯化物排放人工源较弱，少数城市有氯气和氯化氢制造，逸出酸性气体HCl和HClO3，但量不大。对广大地区酸雨形成的贡献也不大。,氟污染与酸雨,浙江东北部土壤中含有微量氟元素,取土造砖时,在培烧过程中,向大气排放出一定量的氟化物,主要形式是氟化氢,也对局部酸雨有贡献。该地区湿沉降中,氟离子的浓度较其它地区为高,也是证明。浙中盆地义乌市,近几年来粘土建材企业(砖瓦厂,墙地砖厂等)发展迅猛,生产排放大量含氟废气。氟化物进入大气后,形成酸性很强的氟化氢,易溶于水。故而其降水中氟化物含量年均值为0.216 毫克/升,比浙东舟山,浙南丽水的降水氟含量高出倍多。除了增加酸度之外,降水中氟化物毒性大,对植物的影响比二氧化硫高出10至 100倍。在氟源集中的污染区,桑叶不能育蚕,果树难于结果,粮食蔬菜减产。,沙尘,我国北方碱性物质“黄沙”来自东亚沙漠(塔克拉玛干，古尔班通古特沙漠，腾格里沙漠和黄土高原等)；大风扬起尘暴,通常有三个主要通道万里过幽燕：1.北方通道：蒙古人民共和国中央沙漠阿拉善高地河套平原鄂尔多斯高原山西雁北地区京津地区；2.西北通道：独联体中亚国家古尔班通古特沙漠吐鲁番哈密河西走廊宁夏平原陕北高原晋北高原京津地区；3.西方通道：新疆塔什拉玛干沙漠青海柴达木盆地河西走廊或宁夏平原。最终,“黄沙”可达韩国、日本以至夏威夷群岛。黄沙含钙较多，是碱性的，会对空气中酸性物质起中和作用,中国黄河以北不是酸雨地区，部分赖于此，真是扬沙天气所造成的不幸中的幸事,沙雨是一种碱性的和干的雨,在中和北方大气酸性物质中起重要作用。在中国西北工农业不发达干旱地区,如甘肃的敦煌,内蒙的阿拉善,新疆的和田等地都收集到pH值大于 7.0的碱雨,这些碱雨是雨水冲刷高空沙粒形成的。,“沙雨”,碱性物质NH3的天然排放源,碱性物质NH3主要天然排放源有两个，其一是有机物分解：野生动物或非人工饲养的动物粪便要分解出氨气,大家都知道氨水是一种肥料，因此鸟粪或其已矿化了的鸟粪层常是质量上乘的有机肥；其二是森林火灾,树木也含有微量的有机含氮化合物。,农牧业与酸雨,碱性物质NH3的人工排放源有三个，之一是人与家畜粪便分解，当我们走近农村猪圈或进入不经常打扫的茅厕，那种使人窒息的刺鼻刺眼的气味就是氨气；之二是化肥合成氨生产，跑冒滴漏；之三是农田氮肥施用，如施用尿素后，土壤微生物将其转化为铵离子，后者又部分被土壤微生物分解为氨气、逸出，另外部分被土壤微生物转化为硝酸盐。因此，相对城市而言，农村和草场NH3排放为高。,“碱雨”与化肥生产,相对于“酸雨”而言,科学家把pH值大于 7.0的降水叫“碱雨”。八十年代,我国著名的化工城市吉林收集到碱雨。原因是,该市有座合成氨化肥生产联合企业,管理不善,有相当量的氨气,跑冒滴漏到大气中。氨气被降水冲刷,形成碱雨。它发生在局地,某个时间段,也未造成明显灾害,比较易于控制。因此,从灾害角度而言,碱雨不能与酸雨相比拟。但从科学角度而言,形成的道理是一样的,都是降水在高空中冲刷酸碱物质的结果,制约酸雨地区分布的因素,酸雨地区分布为复杂因素所制约。从宏观来看，中国大陆的酸雨分布取决于中国各地酸、碱性物质的排放量，促成大气中酸碱物质转化的物质，如CO和O3的当地排放量；再加上当地的气象条件,如中国各地年均温度,中国各地年均雨量,中国各地年均大气湿度,中国各地年日照时数和中国各地土壤的酸碱性等。,一大块长江以南,包括江苏，上海,浙江,福建,江西,湖北,湖南,广东,广西,海南,贵州,四川,重庆,云南等省市大部分地区；及两小块胶东半岛和图门江地区,后两者“酸雨”孤岛的形成，一方面是由于附近有较大城市(青岛、长春、吉林),有酸性物质强排放源,另一方面它们濒临海洋，海洋性潮湿气候提供了产生酸雨的温床。,SO2 是如何变成硫酸的?,人类活动向大气排放的是SO2 气体,即使它溶于雨水也只能成为酸性较弱的亚硫酸,然而我们在雨水中测到的确是酸性较强的硫酸,SO2 是如何变成硫酸的?这是通过三类反应实现的。气相光氧化反应。在纯净的空气中,SO2 难于光氧化。但在污染的空气中,烃类与NOx 生成某些有反应能力的基团,如OH,HO2,CH3O等,后者在日光照射下,将氧化SO2 为SO3,再溶于水成为硫酸。液相光氧化反应。日光下,大气中的烃类与NOx 气相光氧化生成臭氧和过氧化氢,它们在水滴内表现出很强的氧化能力,SO2 在水滴内被液相氧化为硫酸。固相氧化氧化反应。在污染的大气中悬浮着一定量颗粒物,颗粒物可能来自土壤,可能是烟囱排放的飞灰,成份相当复杂,但经化学分析,一般含有微量的过渡金属铁,铜的化合物,它们恰恰是SO2 氧化为SO3 的多相催化剂,在水滴内,在这些颗粒物的表面上实现了SO2向硫酸的转变。,NOx 是如何转化为硝酸的?,NOx 是NO和NO2 的总称。NO又叫笑气,人吸了可自动发笑。当浓度较大时,在空气中可被氧气自动氧化为NO2,尔后溶于水成为硝酸。当被空气稀释后,速度变慢;当达到日常环境浓度时,如百分之几毫克/立方米时,NO的半衰期可达1000时之久。但是,在污染的空气中,由于存在光氧化活性基团(如臭氧,烃类和一氧化碳等)存在,日光下,环境浓度级的NO转化为NO2 的反应可在几分钟内完成。,对酸雨的贡献,SOx 和NOx 哪个孰重?,就我国情况而言,首先,总体来看SO2 的排放量比NOx 为大,但是个别的南方省市,如广东,福建等省,SO2 的排放量比NOx 为小;其次,就发展而言,汽车数量增加较快,而NOx 排放量主要取决于汽车的排放,因此,在未来的若干年内,NOx 的排放量可能超过SOx;最后,SO2 进入大气后,通过光化学反应,变为硫酸根,这需要一段时间,可能经过长距离大气传输;但是NO进入大气后,很快与氧气化合,生成NO2,继而变为硝酸根,需要时间较短,遇雨被局地冲刷降落地面。综合来看,目前SO2 对酸雨贡献为大,将来NOx 的贡献可能要超过SO2。,“干沉降”与“湿沉降”,不下雨时，大气中酸性物质可被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降；下雨时，高空雨滴吸收包含酸性物质继而降下时再冲刷酸性物质降到地面叫湿沉降。,酸湖,干湿酸沉降可直接降入湖水内；也可降入河内再流入湖内；也可落到植被上，雨水冲刷形成径流，注入河湖；也可渗入土壤，进入地下水，流入湖内；最终导致湖泊酸化。有人估计，在中国南方酸雨地区有近一半湖泊，受到不同程度的酸化污染。当然，不同湖泊酸化的敏感性还有所不同，它取决于影响降水的气象条件，湖泊水文，流域特征和湖区土壤和基岩状况。重庆南山和缙云山各发现一个水塘,其水体pH值为4.7,属于已酸化了的小水体,这是一个警告。幸运地是,到目前为止我国尚未发现大面积水域酸化现象。,酸雨与湖泊,何谓湖泊酸化?,天然水体中含有碳酸氢根离子;有的水质发浑,含有某些有机碱;因此它们有中和酸的能力。碱度就是酸中和能力。碳酸氢盐水体中的碱性主要来自于含钙和镁的矿物质的风化。因此水体碱度为碳酸氢根离子浓度,加上两倍的碳酸根离子的浓度(因为每个碳酸根离子可中和两个氢离子),再加上氢氧根离子浓度,即:碱度=HCO3+2CO3+OH-H。当酸性物质进入碳酸氢盐水体,首先中和氢氧根离子,然后中和碳酸根离子形成碳酸根离子,最后中和碳酸氢根离子形成碳酸,再增加氢离子,水体将明显酸性提高。因此,水体碱度大,酸中和能力大,其对酸性的缓冲能力大,可容纳更多额外增加的酸。据碱度定义,湖泊完全失去碱性叫酸化。当某水体接受氢离子量超过其本身中和离子量(通常是碳酸氢盐),便发生了酸化。,酸湖是怎样形成的呢?,湖底基岩一般为碳酸盐,不断以碳酸氢盐形态慢慢溶入湖水中,故一般湖水为弱碱性或中性。酸雨引入湖中的氢离子,首先中和碳酸氢根离子形成弱酸性的碳酸,这时湖水的pH值下降很慢,有时需要数年时间;一但该过程中和完毕,碳酸氢根被耗尽时,再引入新的氢离子,pH值就下降很快了,可能一年之内便可酸化。,水体酸化敏感性指标,虽然目前我国水体,包括湖泊酸化并不严重,例如我国重酸雨地区四川和贵州省水体大致pH值在6.5-8.5 之间,没有发现大面积已酸化水体,且近期也不会被酸化。要防患于未然。因此首先要着眼于找出那些对酸化敏感的水体,先行防范。要评价某水体对酸化的敏感性,就要订出一项水体酸化敏感性指标。参照国外和前人经验,我国学者提出一种 抗酸化容量 指标来评价天然水体的酸化敏感性。经过他们的研究,我国天然水体的pH值一般在6.5-8.5 之间。此时,水体中碳酸氢根占碳酸溶解量的60-95%,成为水体中的主要缓冲因素。首先,假定水体酸化临界值为pH=6.5,测出水体实际pH值后,可得pH增加值pH,即pH=pH-6.5;既而,测得水体的碱度 Alk;最后,由水体碳酸平衡公式,算出水体可承受的总酸量A。据此指标,A 1.0 毫克当量/升,为不敏感水体。,鱼虾等能生活在酸湖之中吗,湖水pH值在9.06.5之间的中性范围时，对鱼类无害；在5.06.5之间的弱酸性时，鱼卵难已孵化，鱼苗数量减少；当湖水pH值低于5.0时，大多数鱼类不能生存。因此，湖泊酸化会引起鱼类死亡。相对于忍耐湖水酸化的能力而言，虾类比鱼类更差，在已酸化的湖泊中，虾类要比鱼类提前灭绝。草本食物是一些鱼、虾类生活的基础。湖水酸化，水生生物种群将减少，例如某湖酸化后，绿藻从26种减至5种；金藻由22种减至5种；兰藻由22种减至10种。俗语说，大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃滋泥，其实滋泥中就含有大量水生生物；鱼虾离开了水草和水生生物，好比鸟兽离开了森林。因此，从生态食物链角度来看，湖泊酸化，也将使鱼虾难以生存。,酸雨是青蛙和鸟类的天敌,酸雨是青蛙和鸟类的天敌，鸟穿过酸雾，酸对角膜有刺激性，而鸟和青蛙对酸又十分敏感，即患红眼病。,酸雨与农业,土壤酸化,酸雨可导致土壤酸化。我国南方土壤本来多呈酸性，再经酸雨冲刷，加速了酸化过程；我国北方土壤呈碱性，对酸雨有较强缓冲能力，一时半时酸化不了。土壤中含有大量铝的氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收的形态铝化合物。植物长期和过量的吸收铝，会中毒，甚至死亡。酸雨尚能加速土壤矿物质营养元素的流失；改变土壤结构，导致土壤贫脊化，影响植物正常发育；酸雨还能诱发植物病虫害，使作物减产。,酸化土壤肥力减退、农业减产,酸雨可使土壤微生物种群变化，细菌个体生长变小，生长繁殖速度降低，如分解有机质及其蛋白质的主要微生物类群牙孢杆菌，极毛杆菌和有关真菌数量降低，影响营养元 素的良性循环，造成农业减产。特别是酸雨可降低土壤中氨化细菌和固氮细菌的数量，使土壤微生物的氨化作用和硝化作用能力下降，对农作物大为不利。科学家试验后估计我国南方七省大豆因酸雨受灾面积达2380万亩，减产达20万吨，减产幅度约6%，每年经济损失1400万元。,火力发电厂周围的粮地,稻、麦等禾本科作物叶面积小，蜡质层厚，可湿性差，对酸雨敏感性弱，但强酸雨仍将导致叶面扭曲，褐黄或褐红伤班，大麦减产。重庆电厂附近酸雨区域受害粮地4.1%,赤稻,水稻生长期是翠绿色的,到了成熟期是黄色的,在加上诱人的稻米香味,稻香村成为田园特殊风光;如果变成赤色的,又如何?我们见过赤豆,红高粮,谁也没见过赤稻。怪事发生在重庆,1982年6 月18日下了一场pH值为3.9 的强酸雨,某乡上万亩水稻叶片迅速变成赤色,一场灾害产量损失80万斤。酸雨大棚实验也证明,强酸雨将导致叶面产生赤色伤班,银耳白了,菜叶黄了,福建沿海某地,盛产银耳,远销海内外。近期,不知什么原因 颜色泛黄,变成次品。农民将它们至入塑料大棚内,用硫黄蒸汽熏 蒸,的确见效,银耳雪白,成为上品。但大量的硫逸出大气,或沉 于地下。结果良田寸草不生,每日清晨,田间酸雾迷漫,菜地菜叶 泛黄,所产菜无人敢买。附近城镇居民,多患哮喘病和支气管炎。经过教育和综合治理,业已改观。,酸沉降对农作物的急性伤害和慢性伤害,急性伤害,通常是指农作物与强酸雨或高浓度二氧化硫等污染物接触,其叶片在短时间(一至三天)内出现细胞死亡,其严重者出现枯叶,枯枝,枯梢和枯株。这种情况只在实验室和土法炼硫窑附近见过。慢性伤害,一般系指农作物长期与弱酸雨或低浓度的二氧化硫污染物接触,其叶色失绿或色素变化,破坏作物细胞正常代谢活动,导致细胞死亡,其可见伤害症状为过早落叶等。一般酸雨地区或二氧化硫长期超标地区内,会发生这种情况。这也是大面积农作物减产的原因,