BIOSSIDO DI CARBONIO CO2 Storia: Allo studioso belga Jan Baptist van Helmont(1588-1644) è stata attribuita l'invenzione del termine gas. Egli fu il primo ad affermare che il gas prodotto dalla combustione del carbone (gas silvestre) era lo stesso che evolve dal mosto in fermentazione. Nel 1755 il medico scozzese J. Black capisce che il gas che si svolge dalla calcinazione, è proprio il gas silvestre di van Helmont e lo rinomina aria fissa introducendo l'ipotesi che fosse una miscela di più componenti.
Caratteristiche chimico - fisiche Il biossido di carbonio a temperatura e pressione ambiente è un gas incolore e inodore. La molecola è lineare; ognuno dei due atomi d'ossigeno e legato tramite un doppio legame covalente all'atomo di carbonio (O=C=O). L'angolo di legame di 180 neutralizza i due momenti dipolari opposti di ciascun doppio legame(c=o) quindi la molecola risulta apolare. Il carbonio ha numero di ossidazione +4, si trova quindi nel suo massimo stato di ossidazione possibile, di conseguenza l'anidride carbonica non è infiammabile e dal punto di vista chimico è relativamente inerte.
DIAGRAMMA DI FASE BIOSSIDO DI CARBONIO Punto triplo: T = -57 C P = 5,2 atm Punto critico: T = 31 C P = 77,4 atm The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location. Tsublimazione: T = -78 C P = 1atm 1) alla pressione di 1 atm la CO2 non esiste nella fase liquida, ma solo solida ( se T < di -78 C) o gassosa se( T > di-78 C) 2) Il solido (ghiaccio secco) sublima senza fondere a 1 atm 3) La CO2 liquida può esistere solo se P è maggiore di 5,2 atm ( ad esempio in una bombola in cui il gas è mantenuto a una pressione elevata ma la temperatura non eccede 31 C)
CICLO DEL CARBONIO Il ciclo del carbonio si divide in : * ciclo biologico: passaggio del carbonio dalle piante agli animali e all'ambiente. * ciclo geochimico: passaggio dalle rocce sedimentarie superficiali all'atmosfera, alla biosfera, e all'idrosfera.
CICLO BIOLOGICO DEL CARBONIO
Alla base di ogni forma di vita, c'è il ciclo del carbonio, che permette la circolazione dell'elemento carbonio, dall'atmosfera alle varie forme di vita, alle acque e di nuovo all'atmosfera e al suolo. La circolazione del carbonio avviene attraverso l'utilizzazione dell'energia solare. Alla base del ciclo c'è la reazione di combinazione, nei vegetali, dell'anidride carbonica presente nell'atmosfera con l'acqua presente nelle cellule vegetali, con la formazione di molecole organiche e liberazione di ossigeno che viene rilasciato nell'atmosfera. La reazione complessiva della fotosintesi clorofilliana è la seguente: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Gli organismi, in grado di trasformare sostanze inorganiche semplici in sostanze organiche, prendono il nome di organismi autotrofi o produttori.
L'energia solare accumulata nei vegetali, sotto forma di legami chimici, costituisce il nutrimento di tutti gli altri esseri viventi, che vengono chiamati eterotrofi o consumatori I consumatori traggono l'energia per la loro vita dal processo della respirazione, che consiste nella combinazione delle molecole organiche con l'ossigeno dell'aria. Da questo processo si formano, come prodotti di rifiuto, l'acqua e l'anidride carbonica che ritorna nell'atmosfera attraverso l'espirazione. Persino le piante ne producono in continuazione, di notte emettono anidride carbonica, mentre durante il giorno l'assorbono.
Le piante e gli animali morti contengono una grande quantità di carbonio, e cosi' pure i materiali organici di scarto. I microrganismi, chiamati decompositori o detritivori, degradano le molecole dei corpi morti e dei materiali di rifiuto, trasformandole in CO2 o in sostanze organiche che restano nel terreno o nelle acque, dove vengono trasformate in materia organica fossile. In tutti queste fasi la quantità di carbonio che ruota è costante
CICLO GEOCHIMICO DEL CARBONIO
Il ciclo geochimico regola il trasferimento del carbonio fra litosfera, idrosfera, e atmosfera L anidride carbonica presente nell atmosfera si solubilizza nell acqua piovana con formazione dell acido carbonico. L anidride carbonica a pressione atmosferica è moderatamente solubile in acqua con la quale forma una soluzione discretamente acida, attraverso la formazione di acido carbonico (acido debole). CO2 + H2O H2CO3 L acido carbonico si dissocia in ioni solvatati idrogeno e bicarbonato: H2CO3 + H2O H3O+ HCO3 Una piccola quantità di HCO3 subisce una seconda dissociazione per formare uno ione idrogeno e uno ione carbonato: HCO3 + H2O H3O+ CO3
L acido carbonico modifica chimicamente i minerali cabonatici (alterazione delle rocce carbonatiche) liberando ioni bicarbonato e ioni calcio che passano in soluzione. Gli ioni idrogeno e bicarbonato che derivano dalla dissociazione dell acido carbonico, reagiscono con i carbonati, portando alla formazione di uno ione calcio e di due ioni bicarbonato. CaCO3 + H3O+ = Ca++ 2HCO3 + H2O Questa reazione è detta di dissoluzione dei carbonati perché da carbonati solidi, si formano ioni che passano in soluzione. Questi soluti vengono trasportati dai fiumi fino agli oceani (ciclo dell acqua), dove organismi viventi incorporano in gusci e scheletri gli ioni calcio e bicarbonato, formando nuovamente carbonato di calcio e liberando anidride carbonica. In tale processo torna all atmosfera circa la metà dell anidride carbonica.
LA DEPOSIZIONE CHIMICA DEI CARBONATI
Gusci e scheletri, alla morte degli organismi, si depositano (deposizione dei carbonati) sui fondali e vengono sepolti da altri sedimenti. La precipitazione del carbonato di calcio, avviene soprattutto negli oceani ed è dovuta alla combinazione di ioni calcio e bicarbonato liberati nei processi di alterazione: Ca++ 2HCO3 CaCO3 + H2O + CO2 La deposizione del carbonato di calcio, può essere diretta (deposizione chimica), oppure mediata da organismi (deposizione biochimica). La seconda prevale sulla prima. Fra i principali carbonati troviamo: la calcite (CaCO3), componente principale delle rocce calcaree; la magnesite (MgCO3); la dolomite (Ca Mg(CO3)2); la siderite (FeCO3). Il carbonato si deposita secondo la reazione dell equilibrio seguente: Ca++ 2HCO3 CaCO3 + H2O + CO2 Un insieme di fattori (concentrazione, pressione, temperatura), porta alla dissoluzione di calcari nelle acque fredde subpolari e alla sedimentazione nei mari caldi tropicali e nelle piattaforme continentali. La formazione dei carbonati ha un effetto tamponante sul contenuto di anidride carbonica: ad un aumento di CO2 nell aria, corrisponderà una maggiore quantità di gas che si scioglie nell acqua formando carbonato. Con una diminuzione della pressione parziale del gas nell aria, si verificherà al contrario la liberazione della CO2 dall acqua nell aria. I carbonati che si depositano per precipitazione diretta dall acqua, producono circa l 80% del carbonio depositato sul fondo oceanico.
LA DEPOZIONE BIOCHIMICA Si realizza per mezzo degli organismi che sottraggono all acqua il carbonato di calcio necessario per la costruzione dei loro scheletri e dei loro gusci. Uno studio recente condotto da alcuni ricercatori della WHOI, ha scoperto che in acque con elevate concentrazioni di CO2 i gusci di vongole, ostriche, lumache,ricci, si sono in parte sciolti, mentre crostacei come granchi, aragoste, gamberi hanno accresciuto il loro esoscheletro. Gli organismi viventi dotati di guscio di carbonato di calcio (molluschi, coralli), potrebbero morire per la perdita dei loro gusci protettivi. Altre specie avrebbero la capacità di costruire gusci più esistenti quindi potrebbero diventare dominanti, causando cambiamenti negli ecosistemi marini.
Nei fondali oceanici meno profondi si trovano i sedimenti calcarei. Il 20% del carbonio depositato è fornito dalla materia organica morta. Questi sedimenti, non possono depositarsi al di sotto dei 4000 m circa di profondità che è il limite di compensazione dei carbonati: Le acque situate oltre questo limite, sono fredde e ricche dico2 quindi leggermente acide per la formazione dell acido carbonico per questo i gusci si dissolvono facilmente. METAMORFISMO DEI CARBONATI I fondali oceanici si espandono attraverso l attività della dorsale oceanica grazie alla quale si forma nuova crosta e si riducono in corrispondenza delle fosse oceaniche in cui per il fenomeno di subduzione, la crosta si immerge trasportando a una certa profondità i sedimenti che, fondendo, torneranno a far parte del mantello. Questi, esposti ad alte temperature e pressioni, molti milioni di anni più tardi, libereranno anidride carbonica che ritornerà all atmosfera attraverso le eruzioni vulcaniche. SEPPELLIMENTO DI MATERIA ORGANICA Una piccola quantità di materia organica, circa l 1% del totale, si deposita in ambienti poveri di ossigeno in cui è possibile la decomposizione completa. In seguito viene sepolta sotto strati di sedimenti che, proteggendola dall ossidazione, impediscono la restituzione di tutta l energia accumulata. Questa piccola percentuale organica sepolta, causa un aggiunta netta di ossigeno nell atmosfera. La materia organica prodotta nel corso dei tempi geologici, sepolta sotto enormi quantità di sedimenti, ha prodotto combustibili fossili come carbone e petrolio.
Numerosi fattori alterano il ciclo del carbonio. La combustione di idrocarburi fossili: La combustione di un idrocarburo fossile (carbone fossile, prodotti petroliferi) libera enormi quantità di CO2. Ogni singola persona dei paesi industrializzati è responsabile dell'emissione annua di 5 tonnellate di CO2 proveniente da combustibili fossili. Parte di queste emissioni sono dirette (gas di scarico di automezzi e scarichi di gas da riscaldamento) e parte indirette (emissioni connesse alle attività di trasporto e produzione riscaldamento e climatizzazione, produzione e raffinazione di petrolio). L'attività umana, a partire dalla rivoluzione industriale del 1800, ha portato la concentrazione di CO2 da 280 ppm a 370 ppm, in soli due secoli. La distruzione indiscriminata delle foreste: Una quantità significativa di CO2 raggiunge l'atmosfera a causa della deforestazione. Attualmente il paese in cui la deforestazione, in termini assoluti, è più rilevante è il brasile; tuttavia il primato dell'aumento della deforestazione spetta al Sud-Est asiatico (1,6%) e all'america centrale (1,5%). Nel complesso si può calcolare che la deforestazione sia responsabile di circa un quarto delle emissioni attuali di CO2, gli altri tre quarti derivano dall'uso dei combustibili fossili.
L'AUMENTO DELL'EFFETTO SERRA E IL RISCALDAMENTO GLOBALE
L'effetto serra è un fenomeno naturale, senza il quale la temperatura sulla superficie terrestre sarebbe pari a 0 C. Tuttavia l'aumento di CO2, provocato dalle attività umane può incrementare la portata della irradiazione di ritorno del calore verso la superficie terrestre, provocando un globale surriscaldamento del pianeta. Nel valutare l'impatto sull'atmosfera dell'aumento di CO2, occorre tener conto che gli oceani hanno la capacità di ammortizzare l'effetto totale, in quanto possono disciogliere la CO2 nell'acqua. Tuttavia le acque marine superficiali si mescolano molto lentamente con quelle più profonde; quindi occorrono centinaia di anni perchè la CO2 disciolta nelle acque superficiali penetri nelle profondità degli oceani, depositandosi come carbonato di calcio insolubile nei fondali oceanici. Inoltre l'aumento della temperatura (effetto serra) diminuisce la solubilità del gas, di conseguenza, il gas viene liberato nell'atmosfera e tutto il fenomeno viene accelerato.