13.1.2 Niederschlag über Nordamerika
Abbildung 13-1 zeigt die mittleren pH-Werte von Niederschlägen, die über Nordamerika gemessen wurden. pH-Werte unter 5 werden über der östlichen Hälfte beobachtet. Wir können die Form dieses Säuregehalts bestimmen, indem wir die Ionenzusammensetzung des Niederschlags untersuchen; Daten für zwei typische Standorte sind in Siehe Mittlere Ionenkonzentrationen (meq l-1) im Niederschlag an zwei typischen Standorten in den Vereinigten Staaten dargestellt. Bei jeder Niederschlagsprobe muss die Summe der Anionenkonzentrationen, gemessen in Einheiten von Ladungsäquivalenten pro Liter, gleich der Summe der Kationenkonzentrationen sein, da die Ionen aus der Dissoziation neutraler Moleküle entstanden sind. Dieses Ladungsgleichgewicht ist für die Daten in Siehe Mediane Ionenkonzentrationen (meq l-1) in Niederschlägen an zwei typischen Standorten in den Vereinigten Staaten annähernd erfüllt; ein genaues Gleichgewicht wäre nicht zu erwarten, da die Konzentrationen in der Tabelle als Mediane über viele Proben angegeben sind.
Betrachten Sie die Daten für den Standort New York in Siehe Median-Konzentrationen von Ionen (meq l-1) im Niederschlag an zwei typischen Standorten in den Vereinigten Staaten. Der mittlere pH-Wert an diesem Standort beträgt 4,34, was typisch für sauren Regen im Nordosten der Vereinigten Staaten ist. Das H+-Ion ist das vorherrschende Kation und wird weitgehend durch SO42- und NO3- ausgeglichen, die die vorherrschenden Anionen sind. Wir kommen zu dem Schluss, dass H2SO4 und HNO3 die Hauptverantwortlichen für den Säuregehalt des Niederschlags sind. Beides sind starke Säuren, die in Wasser quantitativ dissoziieren und H+ freisetzen:
(R5)
(R6)
Abbildung 13-1 Mittlerer pH-Wert und Konzentrationen von SO42-, NO3- und NH4+ (meq l-1) im Niederschlag über Nordamerika in den 1970er Jahren.
- Mittlere Konzentrationen von Ionen (meq l-1) im Niederschlag an zwei typischen Standorten in den Vereinigten Staaten.
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Ion |
ländlich New York State |
südwestlich Minnesota |
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SO42- |
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NO3- |
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Cl- |
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HCO3- |
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SUMME ANIONEN |
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H+ (pH) |
46 (4.34) |
0.5 (6.31) |
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NH4+ |
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Ca2+ |
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Mg2+ |
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K+ |
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Na+ |
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SUMME KATIONEN |
Wie in Abbildung 13-1, sind die SO42- und NO3- Konzentrationen in den Vereinigten Staaten mehr als ausreichend, um die lokalen H+ Konzentrationen auszugleichen. Generell zeigen Analysen der Regenzusammensetzung in allen Industrieregionen der Welt, dass H2SO4 und HNO3 die Hauptbestandteile des sauren Regens sind.
Betrachten wir nun die Daten für den Standort im Südwesten von Minnesota in Siehe Mittlere Ionenkonzentrationen (meq l-1) im Niederschlag an zwei typischen Standorten in den Vereinigten Staaten. Die Konzentrationen von SO42- und NO3- sind mit denen des Standorts New York vergleichbar, was auf ähnliche Einträge von H2SO4 und HNO3 hinweist. Die H+-Konzentration ist jedoch um zwei Größenordnungen geringer; der pH-Wert ist nahezu neutral. Es muss also Basen geben, die den Säuregehalt neutralisieren. Um diese Basen zu identifizieren, untersuchen wir, welche Kationen in See Mediane Ionenkonzentrationen (meq l-1) in Niederschlägen an zwei typischen Standorten in den Vereinigten Staaten. das ursprünglich durch die Dissoziation von HNO3 und H2SO4 zugeführte H+ ersetzen. Die wichtigsten Kationen sind NH4+, Ca2+ und Na+, was auf das Vorhandensein von Ammoniak (NH3) und alkalischem Bodenstaub (CaCO3, Na2CO3) in der Atmosphäre hinweist. Im Regenwasser gelöstes Ammoniak spült H+:
(R7)Die Gleichgewichtskonstante für (R7) ist K = / = 1,6×109 M, so dass/ = 1 für pH = 9,2. Bei den im Regen vorkommenden pH-Werten verhält sich NH3 wie eine starke Base; es spült H+-Ionen quantitativ ab und NH4+ erscheint als Kation, das H+ ersetzt. Die Neutralisierung von H+ durch gelösten Bodenstaub verläuft ähnlich: