酸 雨 （acid rain）

酸 雨 （acid rain）
國力台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

酸雨是異常酸的雨或任何形式的降水。它危害植物、水中生物及建築物。酸雨大部分是人類所排放的硫化物和氮化物與空氣反應所產生。在最近這些年來，許多國家都制定法律來減少這些化學物質的排放量。

定義
“酸雨”這個名詞通常意指酸性成分物質沉積在雨水、雪、霧、露或乾燥微小粒子上。較正確專業術語是”酸性沉澱物”。蒸餾水不含二氧化碳其pH值為7，液體的pH值小於7為酸性，大於7為鹼性。由於二氧化碳在空氣中與水氣作用形成碳酸，因此乾淨未受污染的雨水為微酸性，其pH值大約為5.0。
H2O (l) + CO2 (g) → H2CO3 (aq)
碳酸在水中解離產生低濃度的水合氫離子：
2H2O (l) + H2CO3 (aq) → CO32- (aq) + 2H3O+ (aq)
異常酸的雨是因空氣的污染物，如硫的氧化物和氮的氧化物與水形成強酸（如硫酸與硝酸）。其主要污染源是交通運輸工具、工業及產生動力的工廠。

歷史
自從工業革命以來，硫的氧化物和氮的氧化物在大氣中的含量就持續增加。酸雨現象首先在英國的工業大城曼徹斯特發現。在1852年史密斯（R.A.Smith）發現酸雨與空氣污染的相關性。雖然酸雨在1852年就被提出，但直到1960年代才被廣泛地觀察與研究。加拿大人哈維（Harvey）首先研究”死（dead）”湖。美國在1990年代由於紐約時報報導發生在英國新漢普夏”Hubbard Brook”實驗森林的無數環境危害事件，而使酸雨受到世人的注目。在工業化的地區井水的pH值偶爾會低於2.4（約為食醋的酸度）。在中國、東歐、俄羅斯等國家和其周圍迎風區域，工業造成酸雨是實際存在的問題。這些區域的國家皆以燃燒含硫的煤碳來產生所需的熱能與電能。

酸雨的問題不僅發生在人口稠密及工業成長的區域，它已蔓延至其它區域。如：以高聳的煙囪來減少當地的污染物，但這些污染物卻因此進入區域性的大氣循環，更有助於酸雨的散佈。通常這些物質會在迎風面的適當距離或多山的地區（因其高的降雨量）沉降。最著名的例子是發生在斯堪地那維亞半島所降下的低pH值酸雨。

化學物質的釋放所引起的酸化
引起酸化最主要的氣體是二氧化硫。含氮的氧化物會進一步氧化而形成硝酸，由於對含硫化合物的排放控制日趨嚴格，因此含氮氧化物的釋岀問題愈顯重要。工業上燃燒化石燃料每年會產生70兆克的硫（Tg（S）），閃電產生2.8兆克而火山能產生7-8兆克。

大自然現象
自然界大氣中酸性氣體的產生，主要是來自於火山和陸地、溼地及海洋等的生物作用。在生物體中硫化物的主要來源是二甲硫。酸性沉積物所產生的效應已在地球上人煙罕至、有數千年歷史的冰河中偵測到。

人類的活動
人類建造的發電廠和交通運輸工具所產生的硫化物及氮化物是造成酸雨的主要因素。以煤為燃料的火力發電廠是最大的污染源。這些氣體可飄移數百公里之遠而產生酸雨，在過去工廠使用短煙囪但引發許多問題，因此現在改用較長的煙囪，然而卻使污染物漂的更遠造成更嚴重的生態危害。

化學過程
氣相化學
氣態的二氧化硫與氫氧自由基進行分子間反應
SO2 + OH• → HOSO2•
接著在與空氣中氧氣作用產生三氧化硫
HOSO2• + O2 → HO2• + SO3
三氧化硫溶於水後很快地轉變成硫酸
SO3 (g)+ H2O (l) → H2SO 4(l)
二氧化氮與氫氧自由基反應產生硝酸
NO2 + OH• → HNO3
雲裏水滴中的化學反應
二氧化硫在雲裏的化學反應速率較其單獨在氣相中的反應為快，因為雲中的小水滴可加速反應。

水解
SO2 (g) + H2O → SO2•H2O
SO2•H2O → H++HSO 3-
HSO 3- → H++SO32-

氧化反應
在水溶液中有大量的四價硫被氧化成具有六價硫的硫酸。雲裏水滴中二氧化硫可與臭氧、過氧化氫及氧氣（在鐵及鎂的催化下）反應變成硫酸。
酸性沉澱物
濕性沉澱物
濕性沉澱是以雨水、雪等方式將酸性物質由空氣中帶至地球表面。
乾性沉澱物
酸性物質也可藉由乾燥的方式由空氣中沉澱下來，大約有20﹪到60﹪ 是以此種方式沉澱。

有害的影響
酸雨對森林、水及土壤產生有害的影響。許多昆蟲及水中生物因此而死亡。它也造成建築物的損壞並影響人類的健康。

地表水和水生動物
酸雨造成較低的pH值與高濃度的鋁離子使魚類及其他水中動物受到危害。pH值低於5大部分的魚卵無法孵化，更低的pH值會使成魚死亡。當湖水的酸度增加其生物的多樣性將變少。酸雨減少昆蟲的生命和某些魚的種類，包含存活在阿帕拉契山脈溪流中的河鱒。
土壤
土壤中的生物被酸雨嚴重的危害，在熱帶地區的微生物能夠很快地消耗酸性物質，但其他地區的微生物無法忍受低pH值而死亡。這些微生物內的酵素因酸性而變性（因形狀改變而失效）。酸雨中的氫離子會使毒素流出並使必須的營養素與礦物質流失。
nH+(aq)+ Mn2+ (clay) → nH+ (clay)+ Mn 2+(aq)

森林與其他一般植物
酸雨使森林的植物成長速度減慢，並導致樹葉及松樹類針狀葉變黃而掉落。高海拔的森林特別容易受傷害，因為他們常常瀰漫在雲霧中。
一般植物同樣也受到酸雨的傷害，但食用榖類因施肥來補充所流失的營養素而減低了受酸雨的影響。在從事農耕的地區，灑石灰可使土壤的pH值保持穩定，但這個方法無法用在大片的荒地上。酸雨耗盡土壤的礦物質阻礙植物的生長。

人類的健康
某些科學家認為酸雨與人類的健康有直接的關聯性，但目前尚未能證實。然而微小的塵埃粒子及造成酸雨的氣體（如：二氧化硫與二氧化氮）已引發某些疾病並使人過早死亡（導致癌症）。

其他有害影響
酸雨對特定的建築材料和歷史古蹟亦會造成損害，這是因酸雨中的二氧化硫與岩石（石灰岩、砂岩、大理石和花崗岩）中的鈣化物反應生成石膏而剝落。
CaCO 3 (s) + 2H2SO4 (aq)→ CaSO 4 (aq)+ CO 2 (g) + H2O (l)
這些現象亦可在古老的墓石上碑文文字日見模糊窺知。酸雨亦使鐵的氧化加速。空氣中因有氮及硫的化合物而降低其能見度。

防治方法
技術性解決方案
在美國許多燃煤的火力發電廠使用排煙脫硫法（FGD）來去除排放氣體中的硫化物。現在以濕式排煙脫硫法為例它普遍為美國及其他國家所使用。濕式的淨化設備是一個反應塔，其內裝置一個風扇將大量的煙霧狀氣體從電廠送至反應塔中，之後將石灰或石灰石以泥漿的形式注入塔中與煙狀氣體混合，此時煙狀氣體內的二氧化硫會與泥狀物反應而結合。石灰石中的碳酸鈣能夠產生中性的碳酸鈣，如此便可用物理方法將其由淨化設備中移出，也就是說，淨化設備使含硫的污染物質轉變成具工業用途的硫酸鹽類。在某些地區當產生的硫酸鈣純度夠高時就能賣給化學公司來獲取利潤，其他不純物則進行掩埋。

國際性協定
已經有無數的國際性空氣污染物長期排放協定被許多國家所認可。如：在空氣污染長期跨疆界的會議（Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution）中訂出硫排放減量協議書（Sulphur Emissions Reduction Protocol）。

排放量貿易（Emissions trading）
最近進行排放量貿易的調整計畫。在這個計畫中每個現行的排放設備必須具有排放許可證。經營者必須安裝污染控制設備並且可以銷售部分排放許可證。此項措施的用意是用經濟利益的誘因鼓勵經營者設置污染控制設備。