6. acid rain

neutralizing the threat of acid rain

산성비
이영식
2004. 11

Acid and Base
산의 정의
양성자를 내놓는 물질
수용액에서 양성자 이온을 만드는 물질
비공유 전자쌍을 받는 물질
염기의 정의
OH-를 내놓는 물질
수용액에서 양성자 이온을 받아주는 물질
비공유 전자쌍을 주는 물질

What Is an Acid?
산의 성질
수용액에서 H+이온을 내놓는 물질.
산의 묽은 수용액은 신맛이 있다.
지시약에서 색깔이 변한다.
산의 수용액은 전류를 흐르게 한다.
Carbonate(달걀껍질, 대리석 등)을 포함하는 물질과 화학반응을 한다.
금속과 반응하여 수소기체가 발생한다.

염산과 마그네슘의 반응
Mg + 2H+ + 2Cl- → Mg2+ + 2Cl + H2↑

염산과 아연의 반응
Zn + 2H+ + 2Cl- → Zn2+ + 2Cl + H2↑
염산과 철의 반응
Fe + 2H+ + 2Cl- → Fe2+ + 2Cl + H2↑

산의 세기
강한 산
이온화 정도가 큰 산
수용액 속에서 대부분이 이온화하여 H+을 많이 냄
염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3)
약한 산
이온화 정도가 작은 산
수용액 속에서 일부 분자만이 이온화하여 H+를 적게 냄
붕산(H3BO4), 탄산(H2CO3), 아세트산(CH3COOH)

중요한 산 : 염산(HCl)
진한 염산과 묽은 염산
비중 1.18(진한염산), 35% 이상의 염화수소 기체가 남아있음
묽은 염산 : 10% 이하의 염화수소가 녹아있는 수용액
제법
2NaCl + H2SO4 → NaSO4 + 2HCl
염화수소 : HCl + NH3 → NH4Cl(흰연기)
수용액에서 대부분 이온화 되므로 강한 산이다.

황산(H2SO4)
제법
S + O2 → SO2, SO3 + H2O → H2SO4
진한황산
농도가 98% 이며 물보다 무거운 점성이 큰 액체이다.
물에 녹을 때 많은 열이 발생한다.
수분을 흡수하는 성질이 매우 강해서 건조제로 사용한다.
탈수 작용을 한다.
수분이 거의 없어 이온화 되지 못하므로 산성을 나타내지 않는다.
묽은 황산
강한 산성
금속과 반응하면 수소 기체가 발생

질산(HNO3)
제법
2NaNO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2HNO3
진한 질산
무색의 발연성 액체
빛이나 열을 받으면 분해되기 떄문에 갈색병에 넣어 어두운 곳에 보관.
묽은 질산
금속과 반응하면 수소가 발생
일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 함께 발생하므로 순수한 수소를 얻는 데는 부적당

다른 산
아세트산(CH3COOH)
빙초산(어는첨 17℃)이라고도 하며 4~6% 수용액을 사용한다.

What is Base?
염기
물에 녹아서 수산화이온(OH-)을 낼 수 있는 물질
NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2, Cu(OH)2, NH4OH
CH3OH(메탄올), C2H5OH(에탄올) → 중성(염기 X)
공통적 성질
쓴맛, 미끈미끈
단백질 용해 : tissue 와 textile 의 손상
수용액은 전해질 용액
지시약 변화
염기의 세기

강한 염기
OH-를 많이 내는 물질(수용액 상태에서)
NaOH, KOH, Ca(OH)2
약한 염기
이온화가 잘 안되어 OH-를 조금밖에 내놓지 않음.
NH4OH, Mg(OH)2, Cu(OH)2

중요한 염기:수산화나트륨(NaOH)
제법
2NaCl + 2H2O → 전기분해 → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
성질
조해성 ? 공기 중에서 수증기와 반응해서 스스로 녹는 현상 (ex. CaCl2)
단백질을 용해 : 털실이나 명주실로 된 옷을 비누로 세탁해서는 안됨.
공기중 CO2와 반응해서 흰 고체 생성
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
보관 : 건조제를 넣은 플라스틱 병에 보관(유리부식)
용도 : 양재물, 비누, 펄프, 섬유, 유리 등의 제조 원료

Ca(OH)2 ? 수산화칼슘(소석회)
제법
CaO + H2O → Ca(OH)2
성질
물에 잘 안 녹지만 이온화가 잘 되어 강한 염기
수용액(석회수)에 CO2 통과 → 뿌옇게 흐려져 CO2 검출
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O
용도
석회벽돌, 표백분의 원료
산성토양의 중화

NH3(암모니아)
약한 염기
OH- 이온이 없음에도 불구하고 염기
물에 잘 녹는 기체(자극성 냄새)
NH3 + H2O → NH4+ + OH-
염산과 반응해서 흰 연기 발생
NH3 + HCl → NH4Cl(염화암모늄 ? 흰연기)
용도
비료의 원료
냉동기의 냉매
위산제는 염기다

중화반응
산의 H+와 염기의 OH-가 만나서 물(H2O)이 되는 반응
H+ + OH- → H2O (중성)

중화반응의 예
염산 + 수산화나트륨 (산의 농도 = 염기의 농도)
HCl + NaOH → H2O + Na+ + Cl- (중성)
질산 + 수산화칼륨
HNO3 + KOH → H2O + K+ + NO3- (중성)

Indicator
지시약 (Indicator)
pH에 따라 색이 달라지는 물질 ? 냄새? 맛?
지시약 자신은 약한 염기나 약한 산성을 띰(액성에 따라 색깔이 다름)
지시약으로 쓰이는 천연 물질 : 과일즙, 꽃잎즙
지시약의 색깔변화
Color change

pH 척도
pH
수소이온의 농도를 나타내는 지수

산성이 더 강한 용액일수록 pH값은 작아진다.
[H+] >10-7 , pH < 7 용액은 산성이다
[H+] <10-7 , pH > 7 용액은 염기성이다

수소이온 몰농도와 그에 대응하는 pH값
pH와 수소이온의 몰농도
일반적인 물질들의 pH

여러가지 물질의 pH

빗물의 pH
CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)
H2CO3(aq) H+(aq) + HCO3-(aq)

250C 대기와 평형상태인 물의 수소이온 농도 & pH
2.5*10-6M
pH = 5.6

실제 비의 pH = 5.3

빗물의 pH 측정
pH 미터

리트머스 종이
pH glass membrane electrode
pH 측정
일정한 산도의 기준용액과 분석 용액 사이를 분리하고 있는 유리막 사이의 전위차 측정
유리 막 전극 사용
유리 전극
수소이온 농도에 specific response
pH 측정용 전지

산성비
Acid Rain
화석 연료의 연소 생성물이 빗물에 녹아 내리는 것
Normal rain (pH 5.6)보다 더 낮은 pH를 가진 비
생태계와 직접 반응하지 않아 10년 이상의 기간이 걸리며, 30년 동안 영향
1950년대 과학자들에 의해 비가 산성이라는 사실이 발견됨

산성비의 형성
산성비의 영향
미국에 내린 침전물의 연평균 pH (1997)

미국의 산성비
동부지역 심각
황과 질소의 산화물이 원인
오하이오강 계곡
영향이 적음

산성비의 특성
만성누적적 진행
피해가 단기간에 눈에 띄지 않는다
만성적이고 누적되어 나타난다
인간이 산성비의 피해를 알고 나면 이미 늦은 후이다
계속적 생태계파괴
일시적이고 돌발적인 피해가 아니다
생태계 파괴적이고 광범위하며 불가역적이다

산성비의 특성
원인지, 피해지의 원거리 격리
원인물질 배출지와 피강지가 먼거리로 격리되는 것이 보통이다
국경을 넘어 강하하기도 한다
책임자나 가해자를 특정하기 어렵다
직접적인 인과관계 불분명으로 산성비의 원인을 제공한 자는
책임을 자각하지 못한다
미국과 캐나다의 산성비 분쟁문제
국가간에 오염물질 규제를 소홀히 다루게 된다
손해액의 산출이 불가능하다

산성비의 피해
산림의 황폐화
잎의 표면 괴사반점 ? 광합성, 분비작용에 이상이 생긴다
칼슘, 마그네슘이 산성비에 녹아 버린다
?수목의 영양 부족 현상 초래
산림쇠퇴현상의 급격히 빠르게 진행되고 있다
북미를 비롯 독일, 네덜란드, 스위스 전 산림면적의 50% 초과

9-1. 산성비에 따른 삼림파괴 추정
산성비의 피해
토양의 황폐화

산성비의 피해
토양의 황폐화
어느 한계치를 넘으면 급속히 산성화 진행
호수나 하천보다 산화에 대한 저항력 강함
토양의 산성화로 토양 생산능력 감퇴
토양금속이온의 용출을 촉진 ? 식물의 뿌리에 흡수되어 물흡수 저해
석탄층일 경우 중화되어 산성화가 늦으나
스칸디나비아 반도, 미국 동북부, 캐나다 남동부지역은
석탄층이 거의 없어서 토양의 산성화가 급속히 진행

산성비의 피해
호수의 질식

산성비의 피해
호수의 질식
알칼리 물질 소진되면 산성화 진행됨
호수의 산성화로 인한 어패류 플랑크톤 사멸 ?멸종과 단순화
pH4.5 이하 ?금속 용출 ? 어류의 생식기관에 작용
죽음의 호수 등장

생태계 파괴

12. 산성비의 피해
유적지 피해

12. 산성비의 피해
유적지 피해
구조물의 부식
인조석물의 부식 정도는 자연풍화보다 30배 빠름
시멘트의 칼슘, 마그네슘, 알루미늄 등의 광물질은
산성비에 잘 용해되어 구조물의 빠른 부식진행
가죽, 고무 섬유제품 변색, 노화 현상 촉진

Acid Rain Across the Globe
Sweden, Norway & Canada
호수의 물고기가 죽어가고 있다
Germany
에르츠 산지의 메마른 산림
서독 산림 중 55%가 산성비의 피해를 입음
Mexico
마야문명 유적 파괴

산성비피해를 감소시킬 방안
석탄의 연소 후에 나오는 황산화물과 질소산화물을 석회석으로 중화시켜 제거.
원유 속의 황은 연소 되기 전에 탈황하여, 저유황 및 청정연료로 공급.
자동차의 속도를 줄여 산화질소의 양을 줄임.
수력발전,풍력, 태양에너지 등을 이용.
자동차에 촉매 전환기를 부착.
전기, 메탄올, 태양열등을 이용한 저공해 자동차 개발.
청정연료로 대체해 가고 자체 공정의 개선비의 합리적인 재배치를 통해 효율을 높여야 함.
바이오 리액터 장치를 사용하여 무해한 순환형 공정을 실현.

산성비에 대한 정책
The Clean Act Amendments(CAA)
목적-10년 내 공기의 질을 개선.
내용-2000년까지 SO2방출을 1000만 톤,
NO방출을 200만 톤 감소 요구.
결과-방출거래에 관한 체계..
-각 회사들마다 허용치이하의 방출량을
할당 받음.
-최대 방출량 초과 시 1일당 25000불 벌금

The Clean Act Amendments(CAA)
결과-허용치 보다 적은 방출을 하는 회사에
오염 신용치(credits) 부여.
매매가능(1992년- )
-Chicago Board of Trade(CBOT)에 방출
허용에 대한 상품매매시장 형성.
문제점- 비용지불에 대한 결정의 어려움

Allowance auction & Price trend
Allowance auction & Price trend

Reference
http//www.epa.gov/
acid rain program
http//www.greenlaw.com.ne.kr/
http//www.venus.semyung.ac.kr/
http//www.epa.or.kr/
환경보존협회
인간,환경 그리고 화학 -A.T.Schwartz 저

참고문헌
my.dreamwiz.com/solarssw/
www.magazinegv.com/news/news0003/0003-environment1.htm
http://news.empas.com
http://ysgh.chonnam.kr
http://w3.kunsan.ac.kr