Carbonul - carbonul in hidrosfera, ciclul carbonului, carbohidrati si lipide

Carbonul

Carbonul este prezent in topiturile magmatice primare in stare nativa sub forma de diamant. De asemenea in roci magmatice se prezinta sub forma de anion carbonat CO₃^2- constituent al mineralelor nesilicatice independente de tipul carbonatilor de Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺ ce se depun din solutiile reziduale magmatice sau a unor silicati sau ca anion suplimentar.

In cantitate mare carbonul se prezinta in roci sub forma de anion carbonat asociat cu Ca²⁺ formand CaCO₃ in calcare sau sub forma de carbon organic in roci sedimentare in special in sisturi argiloase. Sub forma de oxizi de carbon in special CO₂ si cu importanta mai mica CO, se prezinta ca si constituenti ai emanatiilor vulcanice. Combinatiile carbonului in alte rezervoare, in atmosfera, in biosfera, in humusul din sol, sunt reprezentate prin compusi dizolvati cu o pondere de 1%.

1. Carbonul in hidrosfera

Oceanul este un sistem complex formand un rezervor esential in ciclul multor elemente chimice. Carbonul in biomasa oceanica are timp de stationare mai putin de o luna, indicand modificarile rapide care apar. Depunerea gradata a variatelor organisme dupa moarte, conduce la incorporarea compusilor organici in sedimente. Rezerva majora de carbon in ocean este numita carbon anorganic. Bioxidul de carbon dizolvat in apa se afla ca molecule hidratate de CO_2(aq) care formeaza un amestec in echilibru continand ioni de hidrogencarbonat HCO₃^- si ioni carbonat CO₃^2-

La pH mai scazut, decat in apa marii acidul carbonic (H₂CO₃) poate fi de asemenea prezent:

H₂O

CO₂ (gaz) CO_2(aq)          (1)

H₂O + CO_2(aq) H₂CO₃     (2)

H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-         (3)

HCO₃^- H⁺ + CO₃^2-           (4)

Apa oceanica are pH-ul cuprins intre 8 - 8,3 si contine mai mult ioni hidroxid decat ioni de hidrogen datorita reactiei 5 si 6 si amestecul carbonat - bicarbonat contine peste 13% carbonat.

HCO₃^- CO_2(aq) + OH^-                (5)

CO₃^2- + H₂O HCO₃ + OH^-        (6)

Cand bioxidul de carbon (CO₂) se dizolva in apa de mare toate reactiile pot fi reprezentate prin reactia (7).

CO_2(aq) + H₂O +CO₃^2- 2HCO₃^-  (7)

Concentratia diferitilor componenti variaza cu adancimea. In stratele de suprafata unde fotosinteza este activa si bioxidul de carbon (CO₂) este consumat, reactia (7) se deplaseaza spre stanga. Echilibrul reactiilor au relatie constanta intre concentratia reactiilor din partea stanga a ecuatiei si concentratia produsilor din partea dreapta a ecuatiei.

Constanta de echilibru K_eqm pentru reactia (7) este:

K_eqm = (8)

K_eqm = CO_2(aq) H₂O CO₃^2- HCO₃^{- 2} (9)

Daca concentratia CO_2(aq) dizolvat este redusa, concentratia ionului bicarbonat, HCO₃^- , trebuie de asemenea sa fie redusa. Indepartarea bioxidului de carbon (CO₂) cauzeaza trecerea bicarbonatului in CO₂, H₂O si CO₃^2- pana ce concentratia este din nou aceeasi in ambele parti in ecuatia (9) reactia (7) se deplaseaza spre stanga.

In apa mai adanca are loc producerea CO₂ datorita respiratiei si proceselor de imbatranire care oxideaza compusii organici astfel fara controlul fotosintezei. In aceste conditii reactia (7) se deplaseaza spre dreapta si CO₂ este partial transformat in bicarbonat si echilibrul este atins din nou. Aceste schimbari in concentratia CO₂, HCO₃^- si CO₃^2- afecteaza solubilitatea carbonatului de calciu CaCO₃. Apa de suprafata contine concentratii mai ridicate in carbonat astfel reactia (7) se deplaseaza spre stanga si produce solubilitatea carbonatului de calciu extrem de mult (10), (11) si o parte din carbonatul de calciu prezent nu va fi dizolvat.

Referat: Diviziunea celulei si ereditatea Referat: Ecosistemul

CaCO_3(solid) Ca²⁺_(aq) + CO₃^2-     (10)

K_sp = Ca²⁺ CO₃^2- = 4,47 x 10^-8 mol dm^-3    (11)

(K_sp = concentratia produsului solubil)

Cu cresterea adancimii concentratia ionului de carbonat descreste si carbonatul de calciu devine solubil. Prezenta speciilor variate de carbon anorganic joaca un rol important in controlul pH-ului apelor naturale. Bioxidul de carbon (CO₂) din apa este folosit de plantele verzi in procesele de fotosinteza.

La concentratii ridicate ale bioxidului de carbon (CO₂) are loc reactia cu sarurile de calciu cu formarea CaCO₃ si a Ca(HCO₃)_2. Prin formarea acestor compusi (in apele de suprafata, in apa marii) si cu depunerea calcarelor o mare parte din carbon este eliminata din circuit, deoarece prin solubilizare (in conditiile de adancime, cu descresterea concentratiei ionului de carbonat) numai o parte din carbonatul de calciu va fi solubilizat, astfel o cantitate neglijabila de CO₂ va fi eliberata.

Partial bioxidul de carbon (CO₂) este utilizat de plantele verzi in procesul de fotosinteza:

+energie

nH₂O + nCO₂ (CH₂O)_n  + nO₂

Plantele terestre consuma bioxidul de carbon (CO₂) din sol unde continutul este mai mare decat in atmosfera. Bioxidul de carbon (CO₂) din atmosfera este considerat un fond de rezerva si al carui continut depinde de echilibrul CO₂ in ocean. Bioxidul de carbon (CO₂) rezultat din vegetale este consumat de animale si se intoarce in atmosfera ca produs al respiratiei sub forma de bioxid de carbon.

Dupa moartea plantelor carbonul se intoarce sub forma de CO₂ in atmosfera, o parte a carbonului poate forma hidrocarburi (CH₄) care este eliminat in aer, o parte intra in componenta turbei sau a malului sapropelic care cu timpul se transforma in sedimente carbunoase si bituminoase.

Cu formarea zacamintelor de carbuni si de petrol, in timp geologic o alta parte din carbon este eliminat din ciclu. Bioxidul de carbon (CO₂) din aceste produse ajunge din nou in troposfera prin oxidarea lor. O rezerva considerabila disponibila de CO₂ eliminat de animale si cel rezultat prin putrefactia organismelor dupa moarte (CO₂ rezultat ramane in solutie). In ocean bioxidul de carbon (CO₂) este folosit pentru structurile calcaroase si pentru procesele de fotosinteza.

In ciclul carbonului o importanta deosebita o prezinta echilibrul bioxidului de carbon care afecteaza solubilizarea si precipitarea carbonatului de calciu (CaCO₃), echilibru ce se stabileste intre atmosfera si apa oceanului, (Fig. 6.3). In aceste medii exista limitele apa/aer, apa/fundul oceanului unde are loc schimbul de CO₂  intre hidrosfera/atmosfera, hidrosfera/litosfera.

Presiunea bioxidului de carbon (CO₂) in stratul superficial creste cu ridicarea temperaturii (T⁰) si a salinitatii (datorita evaporatiei), respiratiei si a precipitarii carbonatului de calciu (CaCO₃). Scaderea temperaturii si a salinitatii duce la descresterea activitatii fotosintetice si la solubilizarea carbonatului de calciu (CaCO₃). Solubilitatea carbonatului de calciu depinde de continutul de CO₂ din aer in echilibru cu faza apoasa. Cresterea concentratiei de CO₂ din atmosfera este determinata si de activitatea vulcanica si cea industriala.

Carbonul se prezinta in materia vie sub forma de bioxid de carbon si carbon organic. Bioxidul de carbon (CO₂) este un constituent minor al atmosferei reprezentand (300ppm) din volumul total al acesteia. Deci rezervele atmosferice de bioxid de carbon (CO₂) sunt relativ mici. O cantitate mult mai mare de bioxid de carbon (CO₂) este dizolvata in apa oceanelor. Concentratia bioxidului de carbon (CO₂) in apa este mult mai mare decat concentratia sa in aer. Mult din carbonul marin este sub forma de ion carbonat CO₃ ^2-

Concentratia mai mare de bioxid de carbon (CO₂) in apele de suprafata face ca CO₂ sa fie mai accesibil organismelor acvatice decat celor terestre. Astfel procesele autotrofe terestre sunt limitate de cantitatea mai mica de bioxid de carbon (CO₂) din atmosfera. Carbonul este de asemenea disponibil pentru organisme in forma redusa ca si carbohidrati, grasimi si proteine ori produsele degradarii lor, realizate prin procesele metabolice. Acest carbon redus contine energia care sustine portiunea heterotrofica a ecosistemelor si astfel carbonul total activ din forma redusa este cam acelasi ca si forma activa a CO₂.

Cea mai mare parte din carbon este stocata in sedimente carbonatice. Cantitatea de carbon in carbonati este de cinci sute de ori mai mare decat carbonul activ. Intim asociat cu miscarea carbonului in stratele vii este oxidarea biochimica si reducerea.

Prin fotosinteza bioxidul de carbon (CO₂) este redus la carbon organic de forma (CHOH). Prin respiratie carbonul organic este oxidat la CO₂ producand energie. In aceste transformari sunt implicate schimbarile de stare de la forma solida la gaz. Astfel carbonul se deplaseaza rapid de la un loc la altul prin difuzie ca si gaz (CO₂), dar ca si material organic solid se deplaseaza mai incet si de obicei este antrenat in curent de apa. Din acest motiv carbonul organic este uneori considerat carbon fixat, in carbohidratii solizi.

2. Ciclul carbonului

Ciclul carbonului incepe cu fixarea si reducerea carbonului de catre plantele terestre. Tot carbonul fixat va fi consumat de catre bacteriile heterotrofice din sol si apoi returnat in atmosfera pentru ciclul CO₂, (Fig. 6.4).

Oxidarea completa in sol, uneori poate avea loc intr-un timp foarte indelungat. In solurile din padurile tropicale poate ramane doar cativa zeci de ani in timp ce in solurile padurilor boreale poate ramane cateva sute de ani. In ocean productia total neta primara este mult mai mare. Aceasta productie provine initial din bioxidul de carbon dizolvat in paturile de suprafata ale apei. Cel mai mult material organic produs este rapid reoxidat la CO₂ si retrimis in stratele de suprafata, dar dupa aproximativ 8 miscari de la suprafata pe fundul oceanului el este oxidat mult mai incet.

Pentru ca solubilitatea CO₂ in apa creste cu cresterea presiunii, partile adanci ale oceanului contin o cantitate mult mai mare de CO₂ dizolvat si anion carbonat [CO₃] ^2- decat partile superioare al apei oceanului.

Prin difuzia verticala aproximativ 3,800 x 10¹² moli, de carbon/an este vehiculat intre partile superficiale si zonele adanci. La aceasta rata, CO₂ din adancime si de la suprafata este schimbat o data la fiecare 1000 de ani.

Fig. 6.4 Ciclul carbonului, (Merritts, D. et al. 1998, cu modificari).

Prin difuzia verticala aproximativ 3,800 x 10¹² moli, de carbon/an este vehiculat intre partile superficiale si zonele adanci. La aceasta rata, CO₂ din adancime si de la suprafata este schimbat o data la fiecare 1000 de ani. Pe de alta parte tot CO₂ din atmosfera trece prin oceane o data la fiecare 7 sau 8 ani, in medie. Circulatia carbonului in bazin deschis in crestere este sporita prin precipitatii in fiecare an, si acumulare in depozite sedimentare care devin prin litificare roci carbonatice sau combustibili fosili. Carbonul se intoarce din inmagazinarea in sedimente (roci carbonatice), prin distrugerea acestora la suprafata pamantului, de catre forte tectonice si cand apa produce ioni carbonat [CO₃]^2- in echilibru chimic cu CO₂.

Depozitele de combustibili fosili produc carbon prin exploatarea lor si combustie pentru a genera energie cu o rata mult mai mare la peste 420 x 10¹² moli/an o rata aproape egala cu jumatate din productia fixata terestru. Aceasta transformare rapida a carbonului din stocuri in forma activa a determinat o crestere semnificativa a CO₂ in atmosfera in ultimii 100 de ani. Acest aspect are implicatii majore in efectele climatice.

3. Carbohidrati si lipide

Doua grupe majore de compusi ce inmagazineaza energie sunt rezultati prin fotosinteza: carbohidrati si lipide. O sursa importanta de energie necesara, biologic este furnizata prin transformarea monoascaridelor in glucoza, conform reactiei:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6H₂O + 6CO₂ + energie

(glucoza)

In prezenta oxigenului descompunerea completa a glucozei in CO₂ si H₂O este insotita de o cantitate maxima de energie eliberata de (2880kJmol^-1) acumulata in timpul fotosintezei. Cea mai mare din aceasta energie este transformata in interiorul organismului de catre 38 molecule de ATP (adenozine - 5 -tiofosfat) care sunt sintetizate in timpul respiratiei aerobe. Primul pas in oxidarea glucozei conduce la formarea acidului piruvic (CH₃COCOOH) si energie suficienta pentru generarea a doua molecule de ATP. In acest stadiu prezenta oxigenului nu este necesara si reactia se produce atat prin respiratie aeroba (dependenta de oxigen) cat si prin respiratie anaeroba (independent de oxigen).

Respiratia aeroba conduce la producerea CO₂ si a apei dar prin respiratie anaeroba toti atomii de carbon din acidul piruvic nu pot fi transformati in CO₂. Organismele cele mai tinere produc etanol (alcool etil, C₂H₅OH) si CO₂, este cel mai bine cunoscut ca proces de fermentatie. Aceste organisme care obtin energia prin fermentatie sunt mult mai dezavantajate comparativ cu cele care utilizeaza respiratia pentru ca o cantitate relativ mica de energie este eliberata in timpul fermentatiei.

Glicogenul este poliascaridul care este utilizat ca si rezerva nutritiva de catre animale. Compusul echivalent in plante este stocat in tuberculi (cartofi). Alt component major al poliascaridelor este celuloza care contin 30-90% din carbon si care furnizeaza structura lemnoasa sau fibroasa. Omul si multe alte animale nu au enzimele celulozice necesare in digestie.