江苏省响水中学高考化学 知识与环境保护 第1讲 酸雨的形成与危害教案 (2).doc

第1讲 酸雨的形成与危害一、概念介绍酸雨是指ph小于5.6的雨雪或其他形式的降水。 雨、雪等在形成和降落过程中，吸收并溶解了空气中的二氧化硫、氮氧化合物等物质，形成了ph低于5.6的酸性降水。酸雨主要是人为的向大气中排放大量酸性物质所造成的。中国的酸雨主要因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，多为硫酸雨，少为硝酸雨，此外，各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。我国一些地区已经成为酸雨多发区，酸雨污染的范围和程度已经引起人们的密切关注。什么是酸雨？ 蒸馏水是中性的，没有味道。柠檬汁，橙汁有酸味；醋的酸味较大，但它们都是弱酸。小苏打水有略涩的碱味；而苛性钠水就涩涩的，碱味较大；苛性钠（氢氧化钠）是碱；小苏打（碳酸氢钠）虽显碱性但属于盐类。2 科学家发现酸味大小与水溶液中氢离子浓度有关；而碱味与水溶液中氢氧根离子浓度有关；然后建立了一个指标：氢离子浓度对数的负值，叫ph。于是，纯水（蒸馏水）的ph为7；酸性越大，ph越低；碱性越大，ph越高。（ph一般为0-14之间)未被污染的雨雪是中性的，ph近于7；当大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性（水和二氧化碳结合为碳酸），ph为5.65。ph小于5.65的雨叫酸雨；ph小于5.65的雪叫酸雪；在高空高山(如峨眉山)上弥漫的雾，ph小于5.65时叫酸雾。检验水的酸碱度一般可以用几个工具：石蕊试剂（酚酞试液）ph试纸（精确率高，能检验ph）ph计（能测出更精确的ph）。一年之内有许多次降水，有的是酸雨有的不是酸雨，因此一般称某地区的酸雨率为该地区酸雨次数与降雨的总次数的比值。其最低值为0%；最高值为100%。有时，一个降水过程可能持续几天，所以酸雨率应以一个降水全过程为单位，即酸雨率为一年出现酸雨的降水过程次数的全年降水过程的总次数比值。除了年均降水ph之外，酸雨率是判别某地区是否为酸雨区的又一重要指标。二、分布区域酸雨区分布图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高于5.65， 酸雨率是0-20%，为非酸雨区；ph在5.30-5.60之间， 酸雨率是10-40% ，为轻酸雨区；ph在5.00-5.30之间， 酸雨率是30-60%，为中度酸雨区；ph在4.70-5.00之间，酸雨率是50-80%，为较重酸雨区；ph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。其实，北京、拉萨、西宁、兰州和乌鲁木齐等市也收集到几场酸雨，但年均ph和酸雨率都在非酸雨区标准内，故为非酸雨区。我国酸雨主要是硫酸型，我国三大酸雨区分别为：1.西南酸雨区：是仅次于华中酸雨区的降水污染严重区域。2.华中酸雨区：目前它已成为全国酸雨污染范围最大，中心强度最高的酸雨污染区。3.华东沿海酸雨区：它的污染强度低于华中、西南酸雨区。三、形成来源近代工业革命，从蒸汽机开始，锅炉烧煤，产生蒸汽，推动机器；而后火力电厂星罗棋布，燃煤数量日益猛增。遗憾的是，煤含杂质硫，约百分之一，在燃烧中将排放酸性气体 so2；燃烧产生的高温还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，雨就成为了酸雨；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敦市雨水成份，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。于是史密斯最先在他的著作空气和降雨：化学气候学的开端中提出“酸雨”这一专有名词。酸雨的成因是一种复杂的大气化学和大气物理的现象。酸雨中含有多种无机酸和有机酸，绝大部分是硫酸和硝酸，还有少量灰尘。酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。如果形成酸性物质时没有云雨，则酸性物质会以重力沉降等形式逐渐降落在地面上，这叫做干性沉降，以区别于酸雨、酸雪等湿性沉降。干性沉降物在地面遇水时复合成酸。酸云和酸雾中的酸性由于没有得到直径大得多的雨滴的稀释，因此它们的酸性要比酸雨强得多。高山区由于经常有云雾缭绕，因此酸雨区高山上森林受害最重，常成片死亡。硫酸和硝酸是酸雨的主要成分，约占总酸量的90%以上，我国酸雨中硫酸和硝酸的比例约为101。四、排放途径（一）天然排放1.海洋：海洋雾沫，它们会夹带一些硫酸到空中。2.生物：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，继而转化为二氧化硫。3.火山爆发：喷出可观量的二氧化硫气体。4.森林火灾：雷电和干热引起的森林火灾也是一种天然硫氧化物排放源,因为树木也含有微量硫。5.闪电：高空雨云闪电，有很强的能量，能使空气中的氮气和氧气部分化合生成一氧化氮,继而在对流层中被氧化为二氧化氮。n2+o2 2no2no+o2=2no2氮氧化物即为一氧化氮和二氧化氮之和，与空气中的水蒸气反应生成硝酸。6.细菌分解： 即使是未施过肥的土壤也含有微量的硝酸盐，土壤硝酸盐在土壤细菌的帮助下可分解出一氧化氮，二氧化氮和氮气等气体。（二）人工排放煤、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。煤中含有硫，燃烧过程中生成大量二氧化硫，此外煤燃烧过程中的高温使空气中的氮气和氧气化合为一氧化氮，继而转化为二氧化氮，造成酸雨。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二氧化硫气体，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产生可观量二氧化硫和二氧化氮，由于二氧化氮带有淡棕的黄色,因此，工厂尾气所排出的带有二氧化氮的废气象一条“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,也能产生一定量的二氧化硫和二氧化氮。它们集中在某些工业城市中，也比较容易得到控制。交通运输，如汽车尾气。在发动机内，活塞频繁打出火花，像天空中闪电，氮气变成二氧化氮。不同的车型，尾气中氮氧化物的浓度有多有少，机械性能较差的或使用寿命已较长的发动机尾气中的氮氧化物浓度要高。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氮氧化物浓度要高。随着我国各种汽车数量猛增，它们的尾气对酸雨的贡献正在逐年上升，不能掉以轻心。工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的二氧化硫，燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物，经过“云内成雨过程”，即水汽凝结在硫酸根、硝酸根等凝结核上，发生液相氧化反应，形成硫酸雨滴和硝酸雨滴；又经过“云下冲刷过程”，即含酸雨滴在下降过程中不断合并吸附、冲刷其他含酸雨滴和含酸气体，形成较大雨滴，最后降落在地面上，形成了酸雨。由于我国多燃煤，所以我国的酸雨是硫酸型酸雨。而多燃石油的国家下硝酸雨。酸雨形成的化学反应过程：(1) 酸雨多成于化石燃料的燃烧：酸雨的工业排放源含有硫的煤燃烧生成二氧化硫s+o2so2二氧化硫和水作用生成亚硫酸so2+h2o=h2so3亚硫酸在空气中可氧化成硫酸2h2so3+o22h2so4(2)氮氧化物溶于水形成酸：雷雨闪电时，大气中常有少量的二氧化氮产生。闪电时氮气与氧气化合生成一氧化氮n2+o22no一氧化氮结构上不稳定，空气中氧化成二氧化氮2no+o2=2no2二氧化氮和水作用生成硝酸3no2+h2o=2hno3+no(3)酸雨与大理石反应：caco3+h2so4=caso4+h2o+co2caso3+so2+h2o=ca(hso3)2(4)此外还有其他酸性气体溶于水导致酸雨，例如氟化氢，氟气，氯气，硫化氢等其他酸性气体。五、危害酸雨能破坏农作物，受到酸雨侵蚀的农作物叶子，叶绿素含量降低，由于光合作用受阻，引起叶子萎缩和畸形，使产量下降。我国重庆地区在1982年入夏后连降酸雨，6月13日夜，雨后的2万亩水稻，叶子突然枯黄，状如火烤，几天后枯死。我国柳州地区因酸雨灾害严重，这几年竟出现了“下雨天浇菜”的怪事。下完雨后，农民们赶紧用洁净的水把菜再浇一遍，不然菜就会黄叶、烂根、死苗。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与稀释能力，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，导致土壤贫瘠化，影响植物正常发育；酸雨还能诱发植物病虫害，使农作物大幅度减产，特别是小麦，在酸雨影响下，可减产 13% 至 34%。大豆、蔬菜也容易受酸雨危害，导致蛋白质含量和产量下降。 酸雨对森林的影响在很大程度上是通过对土壤的物理化学性质的恶化作用造成的。在酸雨的作用下，土壤中的营养元素钾、钠、钙、镁会流失出来，并随着雨水被淋溶掉。所以长期的酸雨会使土壤中大量的营养元素被淋失，造成土壤中营养元素的严重不足，从而使土壤变得贫瘠。此外，酸雨能使土壤中的铝从稳定态中释放出来，使活性铝的增加而有机络合态铝减少。土壤中活性铝的增加能严重地抑制林木的生长。 酸雨可抑制某些土壤微生物的繁殖，降低酶活性，土壤中的固氮菌、细菌和放线菌均会明显受到酸雨的抑制。酸雨可对森林植物产生很大危害。根据国内对 105 种木本植物影响的模拟实验，当降水ph 值小于 3.0 时，可对植物叶片造成直接的损害，使叶片失绿变黄并开始脱落。叶片与酸雨接触的时间越长，受到的损害越严重。野外调查表明，在降水ph 值小于 4.5 的地区，马尾松林、华山松和冷杉林等出现大量黄叶并脱落，森林成片地衰亡。例如重庆奉节县的降水ph 值小于 4.3 的地段，20 年生马尾松林的年平均高生长量降低 50%。 酸雨还可使森林的病虫害明显增加。在四川，重酸雨区的马尾松林的病情指数为无酸雨区的 2.5 倍。 酸雨对中国森林的危害主要是在长江以南的省份。根据初步的调查统计，四川盆地受酸雨危害的森林面积最大，约为 28 万公顷，占有林地面积的 32%。贵州受害森林面积约为 14 万公顷。根据某些研究结果，仅西南地区由于酸雨造成森林生产力下降，共损失木材 630 万立方米，直接经济损失达 30 亿元（按 1988 年市场价计算）。对南方 11 个省的估计，酸雨造成的直接经济损失可达 44 亿元。 大多数专家认为，森林的生态价值远远超过它的经济价值。虽然对森林的生态价值的计算方法还有一些争议，计算出来的数字还不能得到社会的普遍承认，但森林的生态价值超过它的经济价值，这几乎是一致的。根据这些计算结果，森林的生态价值是它经济价值的 2-8 倍。如果按照这个比例来计算，酸雨对森林危害造成的经济损失是极其巨大的。酸雨能使非金属建筑材料（混凝土、砂浆和灰砂砖）表面硬化水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而损坏建筑物。建筑材料变脏， 变黑, 影响城市市容质量和城市景观, 被人们称之为 “黑壳”效应。酸雨的腐蚀力很强，大大加速了建筑物、金属、纺织品、皮革、纸张、油漆、橡胶等物质的腐蚀速度。降落到建筑物表面的酸雨跟碳酸钙发生反应，生成能溶于水的硫酸钙，被雨水冲刷掉。这种过程可以进行到很深的部位，造成建筑物石料的成层剥落。埃及金字塔前有一座著名的狮身人面像，它叫司芬克司。司芬克司在金字塔前稳坐了几千年,可却在近几十年坐不住了。空中魔王酸雨,有一阵没一阵地下,腐蚀了司芬克司的脸,狮身女妖就像被刻意毁容者泼了一瓢又一瓢硫酸，脸上坑坑洼洼,大斑连着小斑,有的地方还一块一块地往下掉,又脏又黑,可丑陋啦！酸雨不仅在非洲肆虐,羞辱司芬克司，还在美洲兴风作浪,使美国的自由之神像和其他文物蒙上黑斑。美国每年因酸雨造成的损失达250亿美元。英国伦敦英王查理一世的塑像、德国慕尼黑的古画廊、科伦大教堂，已被腐蚀得面目全非。我国柳州的柳江铁桥，由于酸雨影响，1年就需防腐一次，而在没有酸雨的60年代，34年才作一次防腐处理；重庆曾家岩八路军办事处旧址门前矗立的周恩来全身铜像，已被酸雨蚀去本色，令慕名而来的瞻仰者心中黯然。酸雨对湖泊的危害也是很严重的，由于降落地表的酸雨在径流过程中得不到地表物质的中和，湖水的酸度增加很快。在加拿大，酸雨毁灭了1.4万多个湖泊，另有4000多个湖泊也濒临“死亡”；欧洲有数千个美丽的湖泊毫无生气，听不到蛙鸣，见不到鱼跃；酸雨给美国北部许多湖泊、河流和池塘带来了一种奇怪的结晶，这种可怕的结晶杀死了所有的鱼类和其他微小生物，迫使那里靠捕鱼为生的渔民不得不含泪弃舟登岸，另谋生路。酸雨对人体健康能产生一定的危害。酸雨可使儿童免疫功能下降，慢性咽炎、支气管哮喘发病率增加，同时可使老人眼部、呼吸道患病率增加。作为水源的湖泊和地下水酸化后，由于金属的溶出，对饮用者会产生危害。很多国家由于酸雨的影响，地下水中的铅、铜、锌、镉的浓度已上升到正常值的10100倍。含酸的空气使多种呼吸道疾病增加，巴西的库巴坦市，由于酸雨的毒害，有20%的居民患有气喘病、支气管炎或鼻炎，其中5岁以下儿童患病率竟高达38%。1980年，美国和加拿大有5万多人因受酸雨影响而死亡，酸雨特别是在形成硫酸雾的情况下，其微粒侵入人体肺部，可引起肺水肿和肺硬化等疾病而导致死亡。酸雨造成的危害，若用金钱来衡量，损失是巨大的，而且，许多损失是用金钱无法挽回的。六、酸雨类型酸雨中的阴离子主要是硝酸根和硫酸根离子，根据两者在酸雨样品中的浓度可以判定降水的主要影响因素是二氧化硫还是氮氧化物。二氧化硫主要是来自于矿物燃料（如煤）的燃烧，氮氧化物主要是来自于汽车尾气等污染源。相关的文献中，通过硫酸根和硝酸根离子的浓度比值将酸雨的类型分为三类，如下：（1）硫酸型或燃煤型：硫酸根/硝酸根3（2）混合型：0.53（3）硝酸型或燃油型：硫酸根/硝酸根0.5。由此，可以根据一个地方的酸雨类型来初步判断酸雨的主要影响因素。当然，大多数地方的酸雨可能这三种类型都涵盖了，这就需要对每个时间段的酸雨影响因素作进一步分析了。七、影响因素1.酸性污染物的排放及转换条件。一般说来，某地so2污染越严重，降水中硫酸根离子浓度就越高，导致ph值越低。2.大气中的氨（nh3）对酸雨形成是非常重要的。氨是大气中唯一的常见气态碱。由于它的水溶性，能与酸性气溶胶或雨水中的酸反应，起中和作用而降低酸度。大气中氨的来源主要是有机物的分解和农田施用的氮肥的挥发。土壤的氨的挥发量随着土壤ph值的上升而增大。京津地区土壤ph值为78以上，而重庆、贵阳地区则一般为56，这是大气氨水平北高南低的重要原因之一。土壤偏酸性的地方，风沙扬尘的缓冲能力低。这两个因素合在一起，至少在目前可以解释中国酸雨多发生在南方的分布状况。3.颗粒物酸度及其缓冲能力大气中的污染物除酸性气体so2和no2外，还有一个重要成员颗粒物。颗粒物的来源很复杂。主要有煤尘和风沙扬尘。后者在北方约占一半，在南方估计约占三分之一。颗粒物对酸雨的形成有两方面的作用，一是所含的催化金属促使so2氧化成酸；二是对酸起中和作用。但如果颗粒物本身是酸性的，就不能起中和作用，而且还会成为酸的来源之一。目前中国大气颗粒物浓度水平普遍很高，在酸雨研究中自然是不能忽视的。4.天气形势的影响如果气象条件和地形有利于污染物的扩散，则大气中污染物浓度降低，酸雨就减弱，反之则加重（如逆温现象）。八、治理措施世界上酸雨最严重的欧洲和北美许多国家在遭受多年的酸雨危害之后，终于都认识到，大气无国界，防治酸雨是一个国际性的环境问题，不能依靠一个国家单独解决，必须共同采取对策，减少硫氧化物和氮氧化物的排放量。经过多次协商，1979年11月在日内瓦举行的联合国欧洲经济委员会的环境部长会议上，通过了控制长距离越境空气污染公约，并于1983年生效。公约规定，到1993年底，缔约国必须把二氧化硫排放量削减为1980年排放量的70%。欧洲和北美(包括美国和加拿大)等32个国家都在公约上签了字。为了实现许诺，多数国家都已经采取了积极的对策，制订了减少致酸物排放量的法规。例如，美国的酸雨法规定，密西西比河以东地区，二氧化硫排放量要由1983年的2000万吨/年，经过10年减少到1000万吨/年；加拿大二氧化硫排放量由1983年的470万吨/年，到1994年减少到230万吨/年，等等。目前世界上减少二氧化硫排放量的主要措施有：1.原煤脱硫技术，可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。2.优先使用低硫燃料，如含硫较低的低硫煤和天然气等。3.改进燃煤技术，减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如，液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石，与二氧化硫发生反应，生成硫酸钙随灰渣排出。4.对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。目前主要用石灰法，可以除去烟气中85%一90%的二氧化硫气体。不过，脱硫效果虽好但十分费钱。例如，在火力发电厂安装烟气脱硫装置的费用，要达电厂总投资的25%之多。这也是治理酸雨的主要困难之一。5.开发新能源，如太阳能，风能，核能，可燃冰等，但是目前技术不够成熟，如果使用会造成新污染，且消耗费用十分高.6.生物防治1993年在印度召开的无害环境生物技术应用国际合作会议上，专家们提出了利用生物技术预防、阻止和逆转环境恶化，增强自然资源的持续发展和应用，保持环境完整性和生态平衡的措施。专家们认为：利用生物技术治理环境具有巨大的潜力。煤是当前最重要的能源之一，但煤中含有硫，燃烧时放出so2等有害气体。煤中的硫有无机硫和有机硫两种。无机硫大部分以矿物质的形式存在，其中主要的是黄铁矿（fes2）。生物学家利用微生物脱硫，将2价铁变成3价铁，把单体硫变成硫酸，取得了很好效果。例如，日本中央电力研究所从土壤中分离出一种硫杆菌，它是一种铁氧化细菌，能有效地去除煤中的无机硫。美国煤气研究所筛选出一种新的微生物菌株，它能从煤中分离有机硫而不降低煤的质量。捷克筛选出的一种酸热硫化杆菌，可脱除黄铁矿中75%的硫。据1991年统计，捷克利用生物技术已平均脱去煤中无机硫的78.5%，有机硫的23.4%，目前，科学家已发现能脱去黄铁矿中硫的微生物还有氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌等。日本财团法人电力中央研究所最近开发出的利用微生物胶硫的新技术，可除去70%的无机硫，还可减少60%的粉尘。这种技术原理简单，设备价廉，特别适合无力购买昂贵脱硫设备的发展中国家使用。生物技术脱硫符合“源头治理”和“清洁生产”的