Kannst du dir vorstellen, was mit den Bäumen in Abbildung 1 passiert ist? Sie sind nicht wegen zu großer Hitze oder zu wenig Wasser vertrocknet. Die Ursache für das Sterben dieser Bäume liegt im sauren Regen. Der saure Regens stört den Wasser- und Nährstoffhaushalt der Bäume und Pflanzen. Wie saurer Regen entsteht und in große Wälder wie in Abbildung 1 gelangt, erklären wir dir in diesem Artikel.
Der pH-Wert beim sauren Regen
Regen ist eine Form des Niederschlags. Als sauren Regen bezeichnen wir diesen Niederschlag, wenn der pH-Wert des Wassers etwa bei 4,2 bis 4,8 liegt. Reines Regenwasser hat dagegen einen pH-Wert von 5,5 bis 5,7. Das reines Regenwasser bereits einen leicht sauren pH-Wert besitzt, liegt an dem natürlichen Kohlenstoffdioxid-Kohlensäure-Gleichgewicht in der Luft.
Entstehung hauptsächlich durch Luftverschmutzung
Saurer Regen entsteht hauptsächlich durch Luftverschmutzung, die von Menschen verursacht wird (Abb. 2). Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen Abgase, die Schwefel- und Stickoxide enthalten können. Saurer Regen kann aber auch vorkommen, wenn Vulkane ausbrechen und dabei Schwefeloxide ausgestoßen werden.
Wie du eben schon erfahren hast, hat auch reines Regenwasser bereits einen leicht sauren pH-Wert. Dieser ergibt sich aus dem Gleichgewicht des Kohlenstoffdioxids in der Luft mit der Kohlensäure ($\ce{H2CO3}$) im Wasser. Steigt der Kohlenstoffdioxidgehalt durch Abgase in der Luft an, kann dies auch den pH-Wert des Regenwassers sinken lassen, weil sich im Niederschlag mehr Kohlensäure bilden kann.
Verschiedene chemische Reaktionen durch die Luftverschmutzung verursachen den sauren Regen. Diese sind der folgenden Animation grafisch erklärt.
Negative Auswirkungen auf die Umwelt
Auswirkungen auf Pflanzen
- Saurer Regen lässt auch den pH-Wert des Bodens sinken, wodurch sich Schwermetall-Ionen leichter aus dem Boden lösen können.
- Diese nehmen die Pflanzen auf, wodurch sie nicht die notwendigen Nährstoffe aufnehmen können, die sie zum Überleben benötigen. Die Blätter und Nadeln sterben ab und fallen zu Boden.
- In Folge dessen können Teile von Wäldern absterben.
Auswirkungen auf Lebewesen
- Schalentiere an Land und im Wasser sind bedroht, wenn der pH-Wert ihrer Lebensräume sinkt. Der Kalk der Schalen bzw. Panzer löst sich in Lösungen mit einem sauren pH-Wert.
- Ähnlich wie bei den Auswirkungen auf die Pflanzen wirken auch die gelösten Schwermetalle auf die Tiere schädlich, wenn diese sich von schwermetallreichem Wasser oder Pflanzen ernähren.
Auswirkungen auf Bauten
- Durch den sauren Regen lösen sich Kalk-, Sandstein und Beton, der bei Gebäuden und Statuen verwendet wird (Abb. 3).
- Die Gebäude verfallen und die Statuen verlieren ihre Struktur.
Auswirkungen auf Gewässer
- Gelangt der saure Regen in Flüssen oder Seen, kann der pH-Wert ausgeglichen werden.
- Stärker sind die Einflüsse, wenn saurer Regen ins Grundwasser sickert. Dabei können sich Schwermetalle lösen und ins Grundwasser getragen werden.
- Wenn das Grundwasser zu Gewässern fließt, können die gelösten, giftigen Schwermetalle die Pflanzen und Tiere in den Gewässern schädigen.
Rauchgasentschwefelung zum Entgegenwirken
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Um sauren Regen möglichst zu verhindern, werden in Industrieanlagen u.ä. heute Filteranlagen zur Rauchgasentschwefelung eingesetzt. In diesem Wort steckt drin, dass die Abgase solcher Werke gereinigt werden. Dabei werden aus den Abgasen Schwefelverbindungen entfernt, sodass diese nicht mehr in die Luft gelangen und sauren Regen verursachen können.
In der Anlage zur Rauchgasentschwefelung strömt das Rauchgas von unten nach oben (Abb. 4). Über die Sprühebenen wird eine wässrige Kalk-Lösung (Calciumhydroxid $\ce{Ca(OH)2}$) verteilt. Das Schwefeldioxid ($\ce{SO2}$) des Rauchgases reagiert mit Calciumhydroxid ($\ce{Ca(OH)2}$) zu Calciumsulfit ($\ce{CaSO3}$) und Wasser ($\ce{H2O}$). Das Calciumsulfit ($\ce{CaSO3}$) sinkt zu Boden in den sog. Sumpf. In den Sumpf wird unter Rühren Sauerstoff ($\ce{O2}$) eingeleitet. Das Calciumsulfit ($\ce{CaSO3}$) reagiert mit dem Sauerstoff ($\ce{O2}$) zu Calciumsulfat ($\ce{CaSO4}$).
Calciumsulfat kennst du als Gips. Dieser kann teilweise weiterverwertet werden.
Entfernung von Stickoxiden schwieriger
Die Luft besteht zu 78,09 % aus Stickstoff. Deswegen ist es schwierig, Verbrennungsreaktionen unter Ausschluss von Stickstoff stattfinden zu lassen. Stickstoffoxide werden daher häufig bei Verbrennungsprozessen gebildet. Das Filtern von Stickstoffoxiden findet gar nicht oder nur in geringem Maße statt. Teilweise werden Verbrennungsmotoren schon durch Elektromotoren ersetzt, bei denen keine Stickoxide gebildet werden.
Stickoxide verursachen nicht nur sauren Regen, sondern fördern auch die Entstehung bodennahen Ozons. Lerne mehr hierzu in den Artikeln über Ozon.
Zusammenfassung
Der pH-Wert von saurem Regen liegt zwischen 4,2 und 4,8. Schwefeloxide, Stickoxide und Kohlenstoffdioxid reagieren mit dem Wasser, das in den Wolken kondensiert, u.a. zu Schwefel-, Salpeter- und Kohlensäure. Dadurch sinkt der pH-Wert des Regenwassers und saurer Regen entsteht. Saurer Regen kann Schwermetalle aus dem Boden lösen, wodurch der Nährstoffhaushalt von Pflanzen und Lebewesen gestört werden kann. Zudem baut sich Kalkstein an Gebäuden und Statuen ab. Um saurem Regen entgegenzuwirken, findet in Verbrennungswerken eine Rauchgasentschwefelung statt.
Aufgabe
Saurer Regen entsteht durch die Reaktion von Schwefeldioxiden $\ce{SO2}$ und $\ce{SO3}$ mit Wasser sowie Stickoxiden $\ce{NO2}$ und $\ce{N2O4}$ mit Wasser.
- Benenne die Säuren, die bei diesen Reaktionen entstehen.
- Stelle Reaktionsgleichungen zu diesen Reaktionen auf.
Aufgabe
Neben dem sauren Regen gibt es auch basischen Regen. Der basische Regen tritt wie der saure Regen zeitlich begrenzt auf. Anders als zu erwarten, muss dessen pH-Wert nicht basisch sein. Er hat einen pH-Wert von größer als 5,7. Das heißt, dass dieses Regenwasser weniger sauer ist als das reine Regenwasser.
- Stelle eine These auf, wodurch basischer Regen verursacht wird.
- Recherchiere und beschreibe die Ursachen für basischen Regen.