Hidrogenul - ciclul hidrogenului in hidrosfera si atmosfera, hidrogenul in biosfera

Hidrogenul

Hidrogenul este cel mai abundent element din Univers. Din toti atomii peste 90% sunt reprezentati de cei de hidrogen. Este urmat de He cu o abundenta de 8% sau 9%. Toti ceilalti atomi constituie impreuna 1% din materia Universului. Hidrogenul este constituent al stelelor, fiind considerat elementul de origine al tuturor elementelor (prin reactiile nucleare ce au loc in stele). Hidrogenul este cea mai importanta sursa de energie stelara; aceasta energie este emanata prin transmutatia protonilor in nucleu de heliu. Prin combinarea a doi nuclei de hidrogen usori se formeaza un nucleu mai greu de heliu in cadrul reactiei de fuziune:

deuteriu  heliu-3 heliu-4

Hidrogenul intra in componenta metanului, prezent in atmosferele planetelor gigantice. De asemenea este constituentul ionului de amoniu, compus gasit in atmosferele planetelor Jupiter si Saturn. Hidrogenul este un component minor al Pamantului chiar daca este prezent in apa de pe suprafata acestuia. Hidrogenul este elementul critic in crearea conditiilor pentru dezvoltarea vietii pe pamant. Hidrogenul este un component major al apei. Apa acopera aproximativ 70% din suprafata Pamantul, iar proprietatile acesteia ca lichid si ca vapori controleaza conditiile climatice care favorizeaza existenta vietii pe Pamant. Apa are proprietati de solvent controland reactiile chimice din roci, transferul substantelor nutritive in plante si transferul substantelor chimice in organisme. Apa din magma in primele etape de diferentiere, fiind prezenta sub forma de volatile, are influenta asupra procesului de cristalizare. Cea mai mare parte din apa magmatica se concentreaza in diferentiatele finale ale procesului de cristalizare, fiind dominanta in stadiul pneumatolitic si hidrotermal. Hidrogenul este prezent in structura mineralelor in diferite combinatii:

-grupe de hidroxil (OH^-) independente, formand un constituent esential al structurii cristaline, eliminarea sa din structura, producandu-se cu distrugerea retelei cristaline;

-molecule de apa (H₂O) sub forma de constituenti cu pozitii bine definite, participand la alcatuirea structurii cristaline;

-molecule de apa (H₂O) prezente in golurile retelei cristaline care pot fi eliminate prin incalzire, fara distrugerea retelei cristaline.

O parte din apa continuta in roci si minerale este reprezentata prin umiditatea higroscopica, aderenta de origine secundara. Apa din magma care nu intra in combinatiile proceselor de diferentiere se elimina prin emanatiile vulcanice. De asemenea emanatiile vulcanice contin si alti compusi cu hidrogen (HCl, H₂S, NH₄Cl). Sticlele vulcanice contin peste 10% apa. Meteoritii contin hidrogen, atat liber cat si combinat sub forma de metan si hidrogen sulfurat.

1. Ciclul hidrogenului in hidrosfera si atmosfera

Cele mai importante minerale de hidrogen sunt apa si gheata. Hidrogenul este componentul esential al geosferelor exterioare Pamantului, al hidrosferei si atmosferei. Hidrogenul liber, rezultat din emanatiile vulcanice si produs in biosfera ca si ceilalti constituenti ai atmosferei care contin hidrogen cum sunt peroxidul de hidrogen, metanul sau amoniacul sunt de importanta minora in geochimia acestui element.

In geochimia hidrogenului apa joaca rolul cel mai important. Apa se deplaseaza continuu intre atmosfera, suprafata Pamantului si hidrosfera. Vaporii de apa din atmosfera se condenseaza si cad pe pamant sub forma de ploaie, zapada sau alte forme de precipitatii. De pe suprafata pamantului apa percoleaza solul si intra in acvifere sau formeaza apele de suprafata care intra in oceane. Prin evaporatie din apele de suprafata sau prin evapotranspiratia din plante, moleculele de apa se intorc in atmosfera si ciclul se repeta, (Fig. 6.2).

Apa care intra in atmosfera este apa ce s-a evaporat din sursele de apa sarata sau apa proaspata care contin diferiti componenti dizolvati. Desi procesul de evaporare este rapid particule fine de saruri pot fi eliminate in atmosfera. Acestea sub influenta precipitatiilor sunt transportate in ocean, astfel se realizeaza un aport semnificativ de Na⁺ si Cl^- in apa marilor.

Precipitatiile dizolva si alti componenti prezenti in atmosfera cum ar fi: O₂, N₂, CO, SO, NO, asociati cu praf si particule insolubile. In ariile in care activitatea industriala este intensa si se elibereaza cantitati importante de oxizi de azot si oxizi de sulf aciditatea ploilor creste de 10 pana la 100 de ori peste normal.

Apa din precipitatii are un rol esential in procesul de alterare al unor specii minerale din roci si din sol favorizand transportul produsilor de reactie. De asemenea apa din precipitatii dizolva speciile solubile de pe suprafata uscatului. Apa din rauri contine mai multe substante solide dizolvate decat apa din precipitatii. Zona de intrare a raurilor in apa de mare este caracterizata printr-o complexitate chimica datorata amestecului apei de rau cu apa de mare.

Fig. 6.2 Ciclul hidrologic simplificat

De asemenea pot avea loc schimbari rapide in concentratia componentilor dizolvati. Componentii solubili pot deveni insolubili iar componentii insolubili solizi transportati de catre rau devin solubili in conditiile chimice schimbate in zona de amestec. Componentii solubili din apa raurilor sunt derivati partial din atmosfera, ce au fost reciclati din depozitele de saruri marine, de pe uscat si partial din rocile si solurile alterate. Cationul caracteristic in apa de mare este sodiul iar in apa dulce este calciul.

Ciclul apei este de mare importanta geochimica, pentru ca el este o mare parte a procesului de alterare, transport si redepunere a materialului la suprafata Pamantului. De asemenea apa formeaza o faza fluida in care are loc depunerea. In plus apa ca atare sau activata de substante dizolvate in ea ataca mineralele si le descompune chimic. Rezulta deci ca in cursul dezintegrarii rocilor si al formarii sedimentelor cantitati notabile de apa sunt transferate in produsele generate; acest fenomen contracareaza emanatiile vulcanice care actioneaza in sensul cresterii cantitatii de apa in hidrosfera. O anumita cantitate de apa este eliberata prin solubilizarea mineralelor hidratate, (de exemplu a gipsului-CaSO₄·2H₂O), precum si din unele procese metamorfice.

Ionul de hidrogen H⁺, cel mai electropozitiv si mobil dintre toti ionii, este prezent in toate solutiile apoase. Din punct de vedere geochimic, apa are capacitatea de a disocia sarurile dizolvate in ioni. Prezenta apei face ca unele metale sa apara in stare nativa in cursul ciclului exogen, sub forma de hidroxizi, oxizi, sulfuri. Aceasta proprietate depinde de potentialul normal al metalului in cauza.

Afinitatea hidrogenului pentru oxigen este foarte ridicata. In consecinta, cantitatea de hidrogen liber din atmosfera se mentine scazuta. Densitatea scazuta a hidrogenului este pe de alta parte cauza migratiei acestuia catre stratele superioare ale atmosferei, de unde ca si heliul el este dispersat in spatiul interplanetar.

Astfel hidrogenul eliberat prin activitatea vulcanica si cel rezultat din procesele biochimice este eliminat din atmosfera, cu exceptia unor cantitati care se combina cu oxigenul sub efectul descarcarilor electrice, in stratele de jos ale atmosferei, formand apa.

2. Hidrogenul in biosfera

Caracterul pronuntat biofil al hidrogenului este indicat de faptul ca acest element se inscrie in ordinea importantei biologice imediat dupa oxigen si azot. Hidrogenul liber se formeaza ca produs final al fermentatiei celulozice, dar acest proces pare a fi singurul caz in care hidrogenul molecular intra in procese biologice mai importante. Apa detine o pondere cuprinsa intre 60-80% in toate tesuturile organice. Peroxidul de hidrogen, (H₂O₂) a fost gasit ca reactant intermediar in sisteme biologice, iar amoniacul (NH₃) este important in ciclul biologic al azotului.

Sub forma de compusi, hidrogenul este prezent in toate sistemele organice existente in biosfera si in majoritatea biolitelor. Petrolul si gazele naturale sunt sedimentele cele mai importante care contin hidrogen.