?, ??(acid, base) by XQ68htCW

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									         산, 염기(acid, base)

산과 염기란?
완충용액이란?
산-염기 산업
생활 속의 산, 염기
생체와 산, 염기
대기 중의 산성물질 –산성비, 스모그
         산 염기-일반적 성질
     산 (Acid)              염기(Base)
신맛               맛    쓴맛
                  색
리트머스: 청적       리트머스 리트머스지:적청
황색               BTB 청
적                MO  노랑
무색                PP 적색
끈끈함              촉감   미끈미끈함
금속과 반응  수소    화학반응 단백질을 용해
수용액은 전해질        전해질   수용액은 전해질
        생활에서 볼 수 있는 산-염기
    1       2   3   4   5   6   7   8   9   10 11 12 13
            콜       귤       우       눈       제
            라           수   유       물       산
배                       박               베   제
터       위   식                           이         암   표
리       액   초                           킹         모
                커               혈                     백
                피               액       파         니
                    간                   우             제
                    장                       비     아
                                    바   더         수
                        토           닷       누
                        마           물
                        토
                        순수한 빗물

    산성증가                   중성          염기성 증가
 Top Basic Chemicals in US
US top 11 chemicals (yr 2000) million tons
         sulfuric acid                   44
           nitrogen                      34
           ethylene                      28
            oxygen                       27
              lime                       22
           ammonia                       17
          propylene                      16
         polyethylene                    15
            chlorine                     13
       phosphoric acid                   13
   diammonium phosphates                 12
        total (in 2000)                 502
        total( in 1990)                 397
                        산과 염기의 정의
Arrhenius
acid: generates [H+] in solution
base: generates [OH-] in solution
normal Arrhenius equation: acid + base <---> salt + water



                 HClO4(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + ClO4-(aq)

   (HI, HBr, HCl, HNO3, and H2SO4)
Brönsted-Lowry:


acid: anything that donates a [H+] (proton donor)
base: anything that accepts a [H+] (proton acceptor)
normal Brönsted-Lowery equation: acid + base <---> acid + base
example: HNO3 + H2O <---> NO3- + H3O+




                H3O+(aq) + NH3(aq) -> H2O(l) + NH4+(aq)
Lewis:

acid: accepts an electron pair
base: donates an electron pair
         산과 염기의 세기

• 센 산, 센 염기
 수용액에서 완전 해리
예) HCl + H2O → H3O+ + Cl-
   NaOH → Na+ + OH-

• 약한 산, 약한 염기
수용액에서 불완전 해리
예 ) CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-
     센 산 (Strong Acids)      센 염기 (Strong Bases)
HI (hydroiodic acid)      NaOH (sodium hydroxide)
HClO4 (perchloric acid)   KOH (potassium hydroxide)
HBr (hydrobromic acid)    Ca(OH)2 (calcium hydroxide)
HCl (hydrochloric acid)
H2SO4 (sulfuric acid)
HNO3 (nitric acid)
         Anion                   Weak Acid

F- (fluoride)          HF (hydrofluoric acid)
HCO3- (bicarbonate)    H2CO3 (carbonic acid)
C2H3O2- (acetate)      HC2H3O2 (acetic acid)
MnO4- (permanganate)   HMnO4 (permanganic acid)
PO43- (phosphate)      H3PO4 (phosphoric acid)
CrO42- (chromate)      H2CrO4 (chromic acid)
CN- (cyanide)          HCN (hydrocyanic acid)
NO2- (nitrite)         HNO2 (nitrous acid)
SO32- (sulfite)        H2SO3 (sulfurous acid)
흔히 볼 수 있는 산
일반적인 염기들
            배관 세정제의 원리
주요 성분
sodium hydroxide (lye), sodium nitrate,
sodium chloride (salt), and aluminum.

NaOH, NaNO3, and NaCl이 물에 용해할 때 용해열이 발생해 혼합물을 따뜻
하게 한다.

용액에서 NaOH는 알루미늄 표면의 Al2O3 표면층을 벗겨내어 Al 금속을 노출
시킨다. 노출된 알루미늄 금속은 물과 반응하여 강력한 환원제인 수소를 발
생시키게 된다. 이 반응은 발열 반응으로 혼합물이 끓게 된다.
화학반응식은 다음과 같다.
      2NaOH + 2Al + 2H2O → 3H2 + 2NaAlO2, (NaAl(OH)4.)
수소 기체는 압력을 발생시키며, 막힌 곳을 뚫게 된다.

수소기체는 다음과 같은 반응으로 소모되어 불이 나는 위험을 줄이게 된다.
            2NO3− + 9H2 → 2NH3 + 6H2O.
 Typical Acids and Bases

        Acids                   Bases
Non-metal Hydrides     Metal Hydrides
HF, HCl, HBr, HCN,     HI, LiH, NaH,
HSCN, H2S              KH, MgH2, CaH2
Non-metal Oxides       Metal Oxides
CO2, SO2, SO3,         Li2O, Na2O, K2O,
NO2, P4O10             MgO, CaO
Non-metal Hydroxides   Metal Hydroxides
HOCl, HONO2,           LiOH, NaOH, KOH,
O2S(OH)2, OP(OH)3      Ca(OH)2, Ba(OH)2
                   산 염기의 정의
1) Arrhenius 정의
   산 : 이온화 H+ 주게 (HCl →H+ + Cl-)
   염기:이온화 OH- 주게 (NaOH → Na++OH-)
(2) Brönsted-Lowry 정의
   산:양성자(H+) 주게
   염기:양성자 (H+) 받게
(3) Lewis 정의
   산: 비공유전자쌍(:) 받게
   염기: 비공유전자쌍(:) 주게

   HCl + H2O  H3O+ + Cl-
                                    NH3 + H2O  NH4+ + OH-
    산    염기       산       염기
                                    염기 산            산      염기
       산-염기의 세기
1. 반응성(금속과 반응) : 기포 발생의 여부
2. 전기전도도 –전해
3. 산이온화 상수- KA, pKA
4. 산의 농도 - pH
수국(Hydrangea macrophylla)의 색




   산성 토양

                   염기성 토양
 ■ 산과 염기의 세기
산 해리상수(acid dissociation constant ; KA)

      HA + H2O     A- + H3O+

                    [H3O+] [A- ]
            KA =
                      [ HA ]

※ [   ]는 M농도로 주어진 물질의 mol/L를 말한다.


               pKa = - log Ka

      pKa 값이 클수록 더욱 약산이고 다 강한 염기
Acid and Base Strength
Measurements of pH
분자 구조와 산성도

  A. 전기음성도(electronegativity)
     : 전기음성도가 증가할수록 pKa는 작음(산성도 증가)
                         CH4    NH3       H2 O   FH
     pKa                 51     38        15.7   3.5
     Electronegativity   2.5    3.0       3.5    4.0
     of A in A-H
     산성도 증가
                     H
               H3C C           H3C N        H3C O
                     H                H

                                 염기도 증가
분자 구조와 산성도

  B. 공명효과(resonance effect):A- 가 띤 전자의 비편재화
CH3CO2H + H2O         CH3CO2- + H3O+       pKa = 4.76
  카르복실산

CH3CH2-O-H + H2O       CH3CH2-O- + H3O+    pKa = 15.9
  에틸알콜

  pKa 크기: 카복실산 << 에틸알콜                    Why ?

        O                         O                 O
H3C C         + H2O       H3C C            H3C C
        O H                       O                O

                           음전하의 비편재화로 안정화
                                공명구조
분자 구조와 산성도
 C. 유도효과(inductive effect)
             
           O
    H3C C          카보닐기(C=O)의 카보닐 산소는
                   카보닐 탄소 보다 전기음성도가 큼
             O H


    카보닐탄소의 부분적 양하전
    C-O와 O-H 결합으로부터 전자를 끌어드림
      (카보닐 양성자의 이온화 촉진의 의미)


         유도효과에 의한 산성도
   (에틸알콜, pKa 15.9 vs 카복실산, pKa 4.76)
■ Lewis acids and bases

  [루이스 산 : 전자쌍 받개] , [루이스 염기 : 전자쌍 주개]

              A + B       A- B+

                             루이스 산-염기 반응에
                             의한 새로운 공유결합
                           완충용액
•산이나 염기를 가해도 pH 가 크게 변하지 않는 물질

•완충용액을 이루는 경우
  약산과 그 산의 염의 수용액
  약염기와 그 염기의 염의 수용액

Henderson-Hasselbalch equation

                   [A  ]
   pH  pK A  log
                   [HA]

If [A-]=[HA], then pK=pH
•혈액속의 완충용액
    HCO3- + H2O  CO32- + H3O+

H+ 첨가 : H+ + HCO3- → H2CO3

OH- 첨가 : OH- + H2CO3 → H2O + HCO3-
신체 완충제(I)


 탄산가스(CO2)/중탄산염(HCO3-) 완충계: pK=6.1

      pH=pK+log([HCO3-]/([CO2]diss+[H2CO3]))

             x pCO2 = [CO2]diss+[H2CO3]


      pH=pK+log([HCO3-]/  x pCO2 ))

              = 0.03 mmol/l/mmHg
              pCO2 = 40mmHg
              HCO3- = 24mEq/l
                                           Renal control
                                           (신장이 HCO3- 를 배출)
      pH=pK+log([HCO3-]/  x pCO2 ))
        =6.1+log(24/0.03x40)=7.4
                                 Respiratory control
                                 (호흡으로 CO2를 배출)
신체 완충제(II)


  헤모글로빈 완충계: pK=6-7(imidazole 기)

      36 histidines, 15g/100ml(9mEq/l)
       pH=pK+log([HbO2-]/[HHbO2])        pK= 6.6

       pH=pK+log([Hb-]/ [HHb])           pK= 8.2


  RBC내에 carbonic anhydrase가 많다
운동할 때 혈액에서 작동하는 완충계.
 헤모글로빈이 O2를 혈액을 통해 허파로부터 근육으로 운반.
1.


근육은 운동에 의한 신진대사 작용으로 평소보다 많은 O2가 필요하게 됨. 따라서
2.

근육에는 산소가 부족하게 되고, 근육과 모세혈관 사이에 산소의 농도차가 커지게
되어 산소는 혈액으로부터 근육으로 확산되어 들어옴.
근육은 신진대사의 증가로 인하여 CO2와 H+ 를 발생시켜 근육 내에서 이들의
3.

농도를 증가시킴.
 헤모글로빈의 완충작용으로 과량의 H+와 CO2 를 소모하게 되며,
4.


만일 H+와 CO2 의 양이 헤모글로빈의 완충 작용 범위를 벗어나게 되면 탄산
5.

평형계에 영향을 미쳐 혈액의 pH가 낮아져 산증이 유발됨.
이러한 pH의 변화는 허파와 신장의 활동으로 이어져 CO2, HCO3-, 및 H+ 를
6.

혈액으로부터 제거하게 됨.
그리하여 운동을 할 때 발생하는 변화를 대응할 수 있도록 산-염기 완충 시스템이
작동하게 됨.
신체 완충제(III)

  인산염 완충계: pK=6.8
       pH=pK+log([HPO4 2-]/[H2PO4-])

       요중에서 중요한 역할


    cf) titratable acid(적정가능산)
         인산염, 황산염, citrate, urate 등
         10-30 mEq
신체 완충제(IV)

  암모니아 완충제: pK=9.8
        pH=pK+log([NH3]/[NH4+])

        만성 산증에서 중요한 역할

          (30-50mM/day만성산증시 500mM/day)

   Lactic acid, -OH butyrate, acetoacetate:pK=4.4

        DM때 증가

        요가 최대로 산성으로 되어도(4.4)
           50%만 protonated
          ammonia가 중요


      NH3 synthesis
      1/3: glycine, alanine, 2/3: glutamine
산-염기 균형의 조절


    1. 신장을 통한 산의 배설


      -중탄산이온의 재흡수(reabsorption)
      -적정가능산 및 암모니아 배설(regeneration)




    2. 호흡을 통한 조절

      -central chemoreceptor
      -peripheral chemoreceptor
H+ balance: intake+production vs excretion

      Intake: 과일(유기약산의 염), NH4Cl, CaCl2


      Production: CO2(12,000-20,000 mEq)
                SO42-, HPO4-(50mEq)
                lactic acid, ketone



Defense systems
 chemical mechanism-buffer systems in body fluids
 physiological mechanism
    respiratory control
    renal control
               산-염기 균형의 교란
   장애                  원인요소                     보상반응                병인

대사성           [HCO3-]감소                         PCO2 감    강산과잉
산증                                      
                                [HCO 3 ]       소         당뇨병, 뇨독증, 락트산산증
                 pH  pK  log
Metabolic
Acidosis                           PCO 2               NH4Cl 투여, HCO3- 결핍
                                                          설사, 세뇨관질환
대사성           [HCO3-]증가                         PCO2 증    강산과잉
알칼리                                            가         HCl 소실, K+ 결핍, , HCO3-
                                [HCO 3 ] 
증                pH  pK  log                           과잉, NaHCO3 투여
Metabolic                          PCO 2 
Alkalosis

호흡성           PCO2 증가                           [HCO3-]   CO2 과잉
                                        
산증                              [HCO 3 ]       증가        페질환, 홍백질환
                 pH  pK  log
Respiratory                        PCO 2               호흡중추 기능저하
Acidos


호흡성           PCO2 감소                        [HCO3-]      CO2 결핍
                                        
알칼리                               [HCO 3 ]  감소           고산, 감정적 과도호흡
                 pH  pK  log
증                                   PCO  2
                                                          특정약품, 뇌염
Respiratory
Alkalosis
혈액내의 기체(Arterial Blood Gas)

혈청 내 정상 pH를 유지하려면 3가지 생리적 체계가
상호의존적으로 작용 해야 한다.

① 폐에서 산을 조절,

② 신장에서 산을 배설하거나 알칼리를 교정

③ 화학적 완충체계에 의해 과다한 산-알칼리 중화



                              38
(1)폐에서 휘발성 산의 조절.

산은 휘발성 산이다. 휘발성 산은 기체로 전환
 될 수 있는 산을 말한다. 폐는 많은 양의 산
 을 CO₂형태로 배출한다.

H2O + CO2 → H2CO3↔ HCO3- +H+
조직에서 일어나는 가수분해




조직 수준의 가수분해. A. 이산화탄소(CO2)는 세포의
에너지 대사 결과로 발생한다.
폐 내에서의 가수분해 전도




폐 내에서의 가수분해의 전도. A. 이산화탄소가 혈액에서 폐
로 옮겨간다.
 (2) 신장의 산과 중탄산 조절
-기체형태로 전환할 수 없는 산은 소변으로 배설

-신장은 소변으로 H+ 를 분비하고 혈액에서 재흡수 할 수 있
도록 HCO3- 를 재생하여 혈청 PH를 조절

- H+ 보다 많아서 여과된 HCO3- 는 소변으로 배설

- H+ 는 신세뇨관에서 활발히 분비되는데 주로 근위세뇨관세
포에서 분비되고 원위세뇨관 세포와 집합관에서 분비되기
도 한다.
      비뇨기계 완충 체계


완충체계는 약산과 알칼리가 결합된 염으로
구성된다. 신장 세뇨관에는 3가지 완충체계
가 있는데 HCO3- , 암모니아, 인 체계이다.
중탄산염 완충기능
       소변의 중탄산염(HCO3-) 완충의 기능.

       A.수소이온이 소듐과 교환되어 세뇨관(tubule)
       안으로 능동적으로 분비된다.

       B. 중탄산염이 사구체에서 세뇨관으로 여과
       된다.

       C. H+와 HCO3- 가 물(H2O)과 이산화탄소
       (CO2)를 산출하면서 역가수분해에 들어간다.

       D. 물은 재흡수되지 않는다면 소변으로 세뇨
       관 안에 남아있다.

       E. 이산화탄소는 탄산탈수소 효소에 의해 촉
       진되어, 수소이온과 중탄산염을 산출하면서,
       세뇨관 세포 안으로 확산된다.

       F. 중탄산염은 소듐과 함께 혈액 속으로 재흡
       수된다.
         암모니아 완충기능


암모니아(NH3) 완충의 기능.

A. 수소이온이 세뇨관(tubule) 안으로 능
동적으로 분비된다.

B. 암모니아는 세뇨관 세포 안에서 세뇨
관 안으로 확산된다.

C. 수소이온(H+) 이 암모니아와 결합하
여 암모늄(NH4+)을 형성한다. 이것은 재
흡수 될 수 없다.

D. 암모늄은 소변으로 분비를 위해 여과
된 Cl-와 결합한다.
          인산염의 완충기능

인산염 완충의 기능.

A. 수소이온이 세뇨관(tubule) 안으로 능
동적으로 분비된다.

B. 수소인산염(HPO42-)과 소듐이 사구
체에서 세뇨관 안으로 여과된다.

C. 수소이온(H+)이 수소인산염 와 결합
하여 H2PO4- 을 형성한다.

D. H2PO4- 이 소변으로 분비를 위해 여
과된 소듐과 결합한다.
      다른 전해질의 역할

H+과 HCO3- 가 산-염기 균형에 중요한 결정인자 이
지만 어떤 체액구역에서도 총 양이론이 총 음이온
과 같아야 한다는 전기적 중립의 원칙에 따라 다른
전해질도 중요한 역할을 한다.
신장이 혈청 pH를 조절하는데 있어서 K+ Na+ Ca²+
Cl- 와 단백질 이온의 영향을 크게 받는다. 즉, 신장
세뇨관에서 Na+의 활발한 재흡수는 Cl- 와 HCO3-
와 같은 음이온 재흡수를 유발한다. 신체의 산-염기
항상성을 유지하는데 세포내 단백질이 가장 중요
한 완충제인데 혈청단백질, 특히 알부민이 중요한
역할을 한다.
(3) 혈액완충 체계에 의한 혈청내 pH의
조절

몇 가지 완충체계는 혈액내에 있는데 적혈
구에 혈색소, 인, 중탄산이 있고 혈장에 중
탄산, 혈장단백, 인이 있다.
이들 완충체계는 강산이나 강염기를 약한
형태로 변화시켜 강산이나 강염기의 영향을
최소화하기 위해 즉각적으로 작용한다.
산-염기 균형을 이룰 때
산증(acidosis):수소이온 농도(pH)가 증가한 결
과이며 중탄산에 대한 탄산의 비율이 1:20보다
크다.

알칼리증(alkalosis):수소이온의 농도(pH)가 감
소한 결과이며 중탄산에 대한 탄산의 비율이
1:20보다 낮다.

대사성(metabolic): 중탄산염의 증가 또는 감소

호흡성(respitory): 탄산의 증가 또는 감소
   1)호흡성 산증

폐포의 산소와 이산화탄소 교환 장애에 의해
이산화탄소가 축적되어 발생한다. (탄산과잉 ,
과소환기)


과호흡, 시력장애, 두통, 심실세동

후기-혼돈, 졸음, 혼수, 포타슘과잉
호흡성 산증
     보상기전
-암모니아 이온(NH3)의 형성과 배출 → 단백질이 소
모

-중탄산 이온(HCO3-)의 보유와 염소의 배출→ 저염소
혈증이 발생할 수 있다.

-수소와 나트륨을 세포 내로 이동시키며 반대로 칼륨
은 세포 내액에서 세포외액으로 이동하여 혈청 내 포
타슘 수치가 올라가게 한다.→고칼륨혈증
수소이온 농도 변화에 따른
포타슘의 이동
   예방

폐기종환자는 탄산음료나 소다의 중탄산염을
섭취하지 않도록 한다.

빈혈, 심부전, 만성기관지염, 폐기종, 천식, 다
른 기관지 폐쇄질환을 가진 사람은 주의를 요
한다.
    2)호흡성 알칼리증

탄산의 과다한 소실이 있을 때 발생하고,

탄산-중탄산의 비율에서 탄산이 감소하는 것
이다.

현기증, 입 주위의 감각이상, 손가락발가
락의 무감각과 저림, 이명, 호흡곤란, 심
계항진, 발한, 공황, 근 경련, 하복부 통증,
칼슘의 이용이 줄어서 나타나는 수족경
련, 강축증 등이 나타난다.
호흡성 알칼리증
   원인

고지대에서의 저산소증, 뇌염, 발열, 및
이산화탄소의 과다한 소실에 따라 발생
하는 과 호흡의 결과, 호흡중추를 자극하
는 아스피린 중독, 빠른 기계적 환기, 히
스테리적 과호흡 (탄산부족 과다환기)
   보상기전

-신장은 암모니아(NH3)형성 및 수소 이
온과 염소 이온의 배출을 줄인다.

-중탄산의 배출을 증가시킨다.

-포타슘은 세포외액에서 세포 내로 이동

-수소이온(H⁺)이 세포외액으로 나와 산
을 증가시킴
수소이온 농도 변화에 따른
포타슘의 이동
   치료

-이산화탄소 분압(PCO₂)을 증가시키고
pH를 낮추는 것에 목표를 둔다.

-과호흡이 원인인 경우 종이주머니를 이
용하여 숨을 쉬게 해서 이산화탄소를 다
시 들이마심으로써 증상을 개선시킬 수
있다.
   3)대사성 산증

체액에 상대적으로 산이 과다한 상태
정상적 음이온 격차 : 10±4mEq/L
-비휘발성 산(고정산)의 축적
-염기의 상실

-동맥혈 가스분석상 낮은 pH와 HCO3-
-호흡기계의 보상작용으로 인한 PaCO₂감소
-보상작용으로 인한 과호흡
-졸림, 혼돈, 혼수, 두통
(호흡성 산증과 유사하다.)
대사성 산증
     비휘발성 산의 축적
원인
-사구체 여과 장애로 인해 단백질 대사의 최종 산물인 산이 효과적으
로 배설하지 못함으로 인한 질소혈증 신부전

-인슐린이 없는 상태에서 지방대사 증가하여 케톤산 축적되는 당뇨성
케톤산증

-무산소 탄수화물대사 증가로 인한 젖산증

-산성 유독물질 투여

⇒중탄산과 음이온들이 대부분의 산을 완충하여 이로 인해
음이온 격차가 증가
      염기의 상실
과 염 소 성 대 사 성 산 증 (Hyperchloremic metabolic
acidosis)


원인
-신세뇨관 산증으로 인해 신세뇨관 세포가 중탄산을
재흡수하지 못해 소변으로 상실
-acetawolamide(Diamox)와 같은 약물이 탄산탈수
소효소를 억제하여 소변 완충과정에 중탄산 교정 방
해

⇒중탄산이 과도하게 손실될 경우 염소(Cl)가 전기적 중립
을
 유지하기 위해 신장에 정체
 (음이온 격차가 없는 산증)
    4)대사성 알칼리증

중탄산염의 축적이나 고정산의 손실로
인해 염기의 상대적 과다(H⁺결핍) 상태



식욕부진, 오심, 구토, 기면, 혼돈, 저칼륨혈증

(심한 불균형시 : 근육경련, 근육강직, 부정맥,
저혈압)
대사성 알칼리증
    원인

-중탄산나트륨, 초산염, 유산염, 구연산염과
같은 알칼리염의 과다 주입

-궤양치료에서 우유와 제산제의 과다사용

-염산이 구토와 위 흡인으로 인해 소실

-수소이온이 소실되나 중탄산 이온이 그대로
보유되면 중탄산: 탄산의 비율이 증가⇒pH증
가
   보상기전

-장에서 수소이온과 암모니아 형성 억제,
중탄산의 보유 중단

-호흡수, 깊이 감소⇒PaCO₂상승하여 호흡
성 산증 유발
                 Acid Rain
•   산성비의 실태
•   What is acid rain?
•   Causes
•   Formation
•   Effects
•   Any solutions?
        런던 스모그
1948년 사상자 300명
1952년 12월 5-9. -사망자 4000여명 사망 (후에
  추가 사망 8000명) –Great Smog of 1952
제주도도 산성비 지역




  2001 46%
  2003 68%
  2003 76%
  2004 80%
서울•수도권 ‘산성비’ 더 강해져..

5.4
                                              0504
5.2
                               04
                                                     서울지역 1992년 이후 가장악화
5.0                                      04          인천, 대전, 부산은 예년에 비해
                     04             05                더 악화
4.8
                                                     대구는 다소 완화
4.6                       05
           04   05                                   중국에서 오염된 대기 유입으로
4.4   05                                             강산성비가 내린 것으로 추정
4.2
4.0
      서울        인천        대전        부산        대구

           (04, 05년 산성비 그래프)
                       산성비의 현황
                      (2000년∼07년 주요도시 빗물산도)
                                                          ※ 자료출처 : 환경부「대기환경연보」

      6.5

        6
                                                                       서울
                                                                       부산
      5.5
                                                                       대구
                                                                       인천
        5
                                                                       광주
                                                                       대전
      4.5
                                                                       울산

        4
        2000   2001   2002   2003   2004   2005   2006   2007   2008

※ 산성비란
 - 대기 중 아황산가스, 질소산화물 등 산성오염물질이 구름이나 강수에 유입되어 그 빗물산도(pH)가 5.6보다 낮아질 때의
비를 말함

※ 산성비의 기준이 pH 5.6인 이유
 - 정상적인 공기 중 산성을 일으키는 탄산가스(CO2)의 농도가 약 350ppm 존재하며 대기 중의 수분 등에 용해되면 약산성
인 탄산을 형성하는데 완전히 포화되어 평형상태를 유지할 때의 pH를 계산하면 약 5.6이 됨
          What is acid rain?
• Precipitation that has a pH of less than that of
  natural rainwater (which is about 5.6 due to
  dissolved carbon dioxide).
• It is formed when sulphur dioxides and nitrogen
  oxides, as gases or fine particles in the
  atmosphere, combine with water vapour and
  precipitate as sulphuric acid or nitric acid in rain,
  snow, or fog.
Acid Rain
       • Reactions to convert to acid t
         ake place in ~2 days - travel
         1000 miles
       • Down wind - Acid rain
       • Dry Dep. vs Wet Dep.
       • Dry Deposition
          – 50 % of total
          – Can react with plants - stri
            p nutrients
          – Tree dieback
            Causes of Acid Rain
• Burning coal. Oil and natural
  gas in power stations makes
  electricity, giving off SOx.
• Burning petrol and oil in
  vehicle engines gives off
  NOx.
• These gases mix with water
  vapour and rainwater in the
  atmosphere producing weak
  solutions of sulphuric and
  nitric acids – which fall as
  acid rain.
Human Emissions - Combustion
                  From atm.

    • NOx
    • N2 +O2 --> 2NO
    • Forms in high temperatures of
      combustion engine
    • Converted in the atmosphere to
      HNO3 - nitric acid
Human Emissions - Fertilizer
     • N2 + H2 +Energy → NH3

     • Formed by the Haber
       process
     • Added to fields all over the
       world, but often lost after
       harvest
Where do N emissions originate?
~ 55% come from agriculture

~ 25% come from industry – e.g. coal fired power plants

~ 20% come from automobiles
               산성비의 원인
황산화물(SO2, SO3) : 화학 연료 연소 시, 화산의 분출물,
식물의 부패 과정에서 발생

    SO2 + H2O → H2SO3(아황산)
    SO3 + H2O → H2SO4(황산)
     ◎아황산가스(단위 ppm)      0.014

                         0.012
                                                               서울
                          0.01
                                                               부산
                         0.008
                                                               대구
                         0.006                                 인천
                         0.004                                 광주
                                                               대전
                         0.002
                                                               울산
                            0
                            2000   2002   2004   2006   2008


             (91년∼07년 아황산가스 측정치)
                                   ※ 자료출처 : 환경부「대기환경연보」
질소 산화물(NOx, NO, NO2) : 자연적인 번개의 방전으로도
     생성되지만 주로 자동차 배기가스로 생성

      N2 + O2 → 2NO
     2NO + O2 →   2NO2
3NO2 + H2O →   2HNO3(질산) + NO
  ◎이산화질소(단위 ppm)
                      0.04
                                                            서울
                      0.03
                                                            부산
                                                            대구
                      0.02
                                                            인천
                      0.01                                  광주
                                                            대전
                        0                                   울산
                         2000   2002   2004   2006   2008

               (91년∼07년 이산화질소 측정치)
                                   ※ 자료출처 : 환경부「대기환경연보」
                     산성비의 원인
대기오염물질


                                                  (비산 먼지 제외/식생제외, 단위 : 톤)

    1,600,000

    1,400,000

    1,200,000                                                                     CO

    1,000,000
                                                                                  NOx
                                                                                  SOx
     800,000
                                                                                  TSP
     600,000                                                                      PM-10
     400,000                                                                      VOC
                                                                                  NH3
     200,000

           0
            1998   1999   2000   2001   2002   2003   2004   2005   2006   2007



                      (99년∼06년 대기오염물질 배출량)
                                                              ※ 자료출처 : 환경부「대기오염물질 배출량」
                 More problems!!!
• Acid rain can travel long distances.

• Often it doesn’t fall where the gas is
  produced. High chimneys disperse
  (spread) the gases and winds blow
  them great distances before they
  dissolve and fall to Earth as rain.

• Gases produced in England and
  Western Europe can result in acid
  rain in Scotland and Scandinavia.
How Acid Rain Affects The Environment
Forests, trees, lakes, animals, and plants suffer from acid
  rain.
  Trees
Acid Rain and Trees
                 Tree & Soil
All of this happens partly
because of direct contact
between trees and acid rain,
but it also happens when
trees absorb soil that has
come into contact with acid
rain.
The soil poisons the tree
with toxic substances that
the rain has deposited into
it.
      토양에 미치는 영향
• Ca2+, Mg2+, Al3+ 및 기타 토양이 흡착하고
  있는 성분을 용탈
• 수소이온은 Ca2+, Mg2+, K+, Na+ 등 유용 양
  이온과 교환 반응 – 반응 후에 급격히 토양
  을 산성화
• Al3+, Cu2+, Zn2+ 등 중금속이온도 용해
• 먹이연쇄 과정 - 식물, 동물에 전달
• 토양미생물의 사멸
Lakes are also damaged by acid rain. Fish die off, and that
removes the main source of food for birds. Acid rain can even
kill fish before they are born when the eggs are laid and come
into contact with the acid.

Fish usually die only when the acid level of a lake is high;
when the acid level is lower, they can become sick, suffer
stunted growth, or lose their ability to reproduce.

Also, birds can die from eating "toxic" fish and insects.
 하천 및 호수에 미치는 영향-1
• 호수와 하천은 자연상태: pH 6-8 사이
• 자연 상태에서 약 산성 상태 - 산림의 유기
  산 등 때문
• 산성비가 내리면, 주위의 토양, 하천 및 호
  수 자체의 buffering capacity(완충용량)에
  의하여 중화
• 중화능력을 넘으면 산성화
  하천 호수에 미치는 영향-2
• 독성이온인 Al3+의 유입 - 낮은 pH 조건 - 물
  고기 저체중, 먹이, 서식지 경쟁력 저하
• 산성화로 물고기 알과 치어의 고형화 - 사
  멸
• 플랑크톤 군집의 변화 - 먹이 연쇄 파괴
• 생물 종다양성 감소 - 산성에 강한 생물종
  의 우점
   수서생물들의 pH 내성도




개구리는 pH 4.0까지 생존이 가능하나, 먹이인 mayfly(하루살이)는 pH
5.5 이하에서는 사멸한다. 따라서, 먹이연쇄 때문에 개구리도 사멸한다.
 산성비에 의한 호수파괴의 실상
• 스웨덴의 경우 85,000개의 호수 중 8,000개가
  산성화
• 노르웨이는 8,000개 중 1,750개가 산성화
• 캐나다에 산성비가 내리기 시작한 것은 약 10년
  전이지만, 지금 어류가 절멸한 호수, 절멸에 직
  면한 호수는 각각 4%, 15%나 된다. 금세기 내
  에 48,000개의 호수가 산성화로 사멸
• 미국 동북부의 New England주나 New York주
  등 9주 27개 지역의 17,059의 호수 중 9,423개
  의 호수 산성화
• 한국: 다행히도 석회암지대라 산성화 지연.
                    Buildings
Acid rain dissolves the stonework and mortar of buildings
(especially those made out of sandstone or limestone).
It reacts with the minerals in the stone to form a powdery
substance that can be washed away by rain.
                     Transport
Currently, both the railway industry and the aeroplane
industry are having to spend a lot of money to repair the
corrosive damage done by acid rain. Also, bridges have
collapsed in the past due to acid rain corrosion.
                       Humans
Humans can become seriously ill,
and can even die from the effects of
acid rain. One of the major
problems that acid rain can cause in
a human being is respiratory
problems.

Many can find it difficult to breathe,
especially people who have
asthma. Asthma, along with dry
coughs, headaches, and throat
irritations can be caused by the
sulphur dioxides and nitrogen
oxides from acid rain.
Acid rain can be absorbed by both plants (through soil
and/or direct contact) and animals (from things they eat
and/or direct contact). When humans eat these plants or
animals, the toxins inside of their meals can affect them.
Brain damage, kidney problems, and Alzheimer's disease
has been linked to people eating "toxic" animals/plants.
동북아 국가에서의 대기오염물질 배출량


 국가   SO2 (GgS/yr) NOx (GgN/yr)   TSP (Kton)


 중국     9,995         2,243        21,050
 한국      647           169          420
 북한      166           143          N.A.
 일본      493           589          101

 전체     14,489        4,712         N.A.
2)수중 생태계에 대한 영향 :
금속무기물을 녹이며 여기서 나온 금속물들이 수중생태계를 파괴
물고기의 삼투압 조정능력 저하 물질의 평형을 유지할 수 없게 됨
질소성분의 과량 유입되게 되면 이상중식을 초래 부영양화 현상을 일으킴




           (pH수역에 따른 수중생물의 영향)
3)건물에 미치는 영향

대리석으로 된 건축물과 문화재 부식 및 철교와 같은
   금속구조물이 부식된다.

건물의 환기시설로 산성물질이 실내에 유입 미술관이나 박물관등에
   소장된 예술품이 훼손됨.
4)인간에게 미치는 영향


인간호흡기 질병을 일으킨다.

식량생산에 영향을 미친다.

알루미늄이나 중금속 장애를 일으킨다.

예술적 가치가 있는 역사유물에 부식을 일으킴.
          Health Effect
Research carried out in North
America in 1982, revealed that
sulphur pollution killed 51,000 people
and about 200,000 people become ill
as a result of the pollution.
중국에 의한 오염 정도

   중국에서 날아오는 대기오염 물질은 국내 발생량의 27%에 이른다.
   산성비의 원인인 아황산가스 유입량만 해도 연간 34만-36만7천톤으로
    국내 발생량의 22.8-24.5%라고 한다.
   중국의 산업화가 현재대로 진행된다면, 2010년에 가서는 중국의 아황산
    가스 배출량이 전세계 배출량의 42%를 차지하고, 이로 인한 우리나라의
    경제적 피해가 연간 1조 8천억원이 넘을 것이다
                      (자료: 국립환경연구원)

   중국의 황사  산성화를 방지하는 역할
Solution?


 What are
    the
 solutions
  to acid
   rain?
                산성비 대책

산성비에 의한 피해를 줄이기 위해서는 산성비의 원인 물질인 황산화물과
질소산화물을 제거해야 한다.


  ① 황산화물제거 : 탈황시설, 화석연료의 품질 개선

  ② 질소산화물제거 : 자동차 촉매변환기 부착

  ③ 대체 에너지 개발 : 태양에너지, 수력, 풍력, 조력, 파력, 지열

  ④ 에너지 절약 및 자원재활용

  ⑤ 토양 산성화 방지 : 퇴비와 석회 비료의 사용

  ⑥ 국제적인 협조
Acid Neutralization

           • How does this work?
           • Cation Exchange on
             clay minerals
           • Role of chemical
             weathering...
        Causes of Acid Rain
• Natural Sources
  – Emissions from volcanoes and from biological
    processes that occur on the land, in wetlands,
    and in the oceans contribute acid-producing
    gases to the atmosphere
  – Effects of acidic deposits have been detected
    in glacial ice thousands of years old in remote
    parts of the globe
        Causes of Acid Rain
• The principal cause of acid rain is from
  human sources
  – Industrial factories, power-generating plants
    and vehicles
  – Sulfur dioxide and oxides of nitrogen are
    released during the fuel burning process (i.e.
    combustion)



                  MSN Encarta
Formation of Acid Rain
       Formation of Acid Rain
• When water vapour condeses, or as the
  rain falls, they dissolve in the water to form
  sulfuric acid (H2SO4) and nitric acid
  (HNO3).
• While the air in cleaned of the pollutants in
  this way, it also causes precipitation to
  become acidic, forming acid rain
         Effects of Acid Rain
• Harmful to aquatic life
  – Increased acidity in water bodies
  – Stops eggs of certain organisms (e.g. fish) to
    stop hatching
     • Changes population ratios
     • Affects the ecosystem
         Effects of Acid Rain
• Harmful to vegetation
  – Increased acidity in soil
  – Leeches nutrients from soil, slowing plant
    growth
  – Leeches toxins from soil, poisoning plants
  – Creates brown spots in leaves of trees,
    impeding photosynthesis
  – Allows organisms to infect through broken
    leaves
Effects of Acid Rain
         http://abacus.bates.edu/~ganderso/biology/bio270/clover_leaf_bu
         rns_pH2_30d.gif




                                                           MSN Encarta
      Effects of Acid Rain

• Accelerates weathering in
  metal and stone structures




               MSN Encarta   http://www.lauraknauth.com/photos/france/thinker.jpg
          Effects of Acid Rain
• Affects human health
  – Respiratory problems, asthma, dry coughs,
    headaches and throat irritations
  – Leeching of toxins from the soil by acid rain can be
    absorbed by plants and animals. When consumed,
    these toxins affect humans severely.
  – Brain damage, kidney problems, and Alzheimer's
    disease has been linked to people eating "toxic"
    animals/plants.
       Preventive Measures
• Reduce amount of sulfur dioxide and
  oxides of nitrogen released into the
  atmosphere
  – Use less energy (hence less fuel burnt)
  – Use cleaner fuels
  – Remove oxides of sulfur and oxides of
    nitrogen before releasing
    • Flue gas desulfurization
    • Catalytic Converters
       Preventive Measures
• Use cleaner fuels
  – Coal that contains less sulfur
  – "Washing" the coal to reduce sulfur content
  – Natural Gas
         Preventive Measures
• Flue Gas Desulfurization (FGD)
  – Removes sulfur dioxide from flue gas (waste gases)
  – Consists of a wet scrubber and a reaction tower
    equipped with a fan that extracts hot smoky stack
    gases from a power plant into the tower
  – Lime or limestone (CaCO3) in slurry form is injected
    into the tower to mix with the stack gases and reacts
    with the sulfur dioxide present
     Preventive Measures

• (continued)
  – Produces pH-neutral
    calcium sulphate that is
    physically removed from
    the scrubber
  – Sulphates can be used
    for industrial purposes


                               Scrubber at work
                                      MSN Encarta
Reducing the effects of Acid Rain

• Liming
  – Powdered limestone/limewater
    added to water and soil to
    neutralize acid
  – Used extensively in Norway and
    Sweden
  – Expensive, short-term remedy
             Bibliography
• 환경부 대기환경자료
• http://en.wikipedia.org/wiki/Acid_rain
• Marian Boderick. (1994). Weather and
  Climate. Hong Kong: Time Life Asia.
• Katherine K. Rothschild. (1994). Matter
  and Chemistry. Hong Kong: Time Life
  Asia.

								
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