Приложение 13
Периодическая система / Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на предмете углерода и его соединений / Приложение 13

Растворенный углекислый газ в воде определяет жизнедеятельность в океане. Углекислый газ является “продуктом питания” фитопланктона. Максимальное содержание углекислого газа приурочено к глубинным слоям воды. Растворимость углекислоты возрастает в холодных водах и уменьшается при нагревании. В связи с этим в зимние месяцы часть углекислого газа переходит из атмосферы в океаническую воду, а летом – обратно.

Углекислый газ принимает участие в химических реакциях, в частности регулирует карбонатное равновесие. Воды, обогащенные углекислым газом, агрессивны по отношению к CaCO3, удаление углекислого газа из воды при ее нагревании способствует осаждению карбонатов. Велика роль углекислого газа в фотосинтезе, в процессе которого образуется органическое вещество. В результате фотосинтеза в океане ежегодно образуется около 1017 г биомассы фитопланктона.

Выяснив, что углекислый газ может поглощать океан как северного, так и южного полушария, ученых заинтересовал еще один вопрос: поглощает ли южная часть Тихого океана углекислый газ во все сезоны года?

Известно, что обильный планктон южного полушария играет важную роль в природном механизме, “выкачивающем” диоксид углерода из атмосферы и отлагающем ее в меловые осадочные породы морского дна. Если его эффективность понизится, количество углекислого газа в воздухе возрастает, что будет способствовать парниковому эффекту, вызывающему глобальное потепление.

На сессии Американского географического союза в декабре 1991 г. были представлены первые материалы о концентрациях углекислого газа в водах южной части Тихого океана в осенний период. Исследования выполняли сотрудники Тихоокеанской лаборатории Национального управления США по изучению океана и атмосферы (НОАА) Р.Фили и П.Мерфи при участии Р.Гаммона – Вашингтонский университет, спонсор исследования – программа НОАА по глобальному изменению климата.

Обобщенные данные непосредственных химических анализов, которые были выполнены с 1984 по 1989 г. в Тихом океане от экватора до Южного полярного круга. Полученные результаты ставят под сомнение представление о роли этой области Мирового океана как активного поглотителя углекислого газа из атмосферы.

На основании прежних исследований считалось, что около половины углекислого газа, поступающего в атмосферу со всей земной поверхности при сжигании ископаемого топлива и сокращении площади лесных массивов, в ней и остается, а другая половина – “пропавший углерод” – поглощается наземными растениями и водами океана, в основном южной частью Тихого океана. Считалось также, что область высоких концентраций углекислого газа в восточной половине южной части Тихого океана находится в приблизительном балансе с областью низких концентраций западной половины.

По мнению Фили, “область высоких концентраций углекислого газа – это те районы, где океан отдает этот газ в атмосферу, и наоборот, в области с низкими концентрациями углекислого газа воды поглощают его из атмосферы”. Однако количество поглощаемой и отдаваемой углекислоты зависит от скорости ветра: чем он сильнее, тем больше углекислого газа переносится через границу вода-воздух. Этот фактор заставил исследователей тщательно проанализировать данные по ветровому режиму южной части Тихого океана. Однако вследствие суровых погодных условий метеонаблюдения на судах велись эпизодически. Пришлось для анализа использовать также имеющийся в НОАА массив сведений о ветрах, которые отмечались китобойными судами в прошлом веке, особенно в полосе между 40 и 50 градусами ю.ш. Эта полоса хорошо известна мореплавателям как “ревущие сороковые”, где скорость ветра превышает 70 км/ч. Обобщенные данные по ветрам были сопоставлены с концентрациями углекислого газа в поверхностных водах и приповерхностных слоях воздуха для оценки потоков поглощаемого или выделяемого углекислого газа в различных районах южной части Тихого океана. Согласно полученным результатам, в осенний сезон в Южном полушарии количество углекислого газа, выделяемого в атмосферу из океана на востоке, почти совпадает с количеством, поглощаемым океаном на западе.

Ученые допускают, что в иные сезоны южная часть Тихого океана действительно является мощным поглотителем углекислого газа. Это вопрос и практика будущего.

Следующий вопрос, который заинтересовал ученых – это механизм осаждения карбонатов в условиях фотосинтеза. Для простоты изобразим это в виде небольшого рисунка (его можно использовать как МП-картосхему на уроках химии и географии).

Рис. 2 Схема осаждения атмосферного углекислого газа, образование морских отложений.

Экспериментально изучена кинетика осаждения CaCO3 при 20°C и 30°C в условиях пересыщений, достигаемых при фотосинтезе в морской воде. Выяснена возможность спонтанного осаждения CaCO3 в условиях Багамской Банки.

Проблема осаждения карбоната кальция в океане привлекает внимание исследователей в течение последних 40 лет. Две основные точки зрения – о выделении CaCO3 исключительно биогенным путем и о спонтанном физико-химическом осаждении непосредственно из морской воды – имеют подтверждения как в экспериментальных работах, так и в результатах натуральных наблюдений. Особенно большое значение придается этой проблеме в связи с интенсивным осаждением карбонатных илов на Багамской Банке, Персидском заливе, которое часто рассматривают в качестве аналога карбонатообразования в древних морях.

Эксперименты по этому вопросу были проведены московскими учеными О.С. Покровским и В.С. Савенко (МГУ им.М.В. Ломоносова). Что же им удалось получить и изучить?

В экспериментах по изучению спонтанного физико-химического осаждения CaCO3 в морской воде была показана возможность непосредственного осаждения карбоната кальция в условиях морской воды, отвечающих районам интенсивного карбонатонакопления. Данные по Багамской Банке подтверждают действие механизма прямого физико-химического осаждения из морской воды. Но имеются многочисленные данные, которые доказывают основную роль в выделении CaCO3 сине-зеленых водорослей. В ходе фотосинтеза происходит значительное увеличение pH, что может приводить к химическому осаждению CaCO3 на внешних поверхностях клеток. Наблюдения показали, что суточные изменения pH в непосредственной близости от скоплений водорослей могут достигать 7,4 – 9,2, что приводит к выпадению CaCO3.

Несмотря на большую роль водного фотосинтеза в осаждении карбонатов, физико-химический анализ этого процесса не проводился, а имеющиеся данные по гомогенному осаждению CaCO3 не могут быть непосредственно использованы в силу изменения концентраций неорганического углерода, растворенных фосфатов, pH, происходящих при фотосинтезе.

Рассмотрим теоретически изменения состава среды, непосредственно примыкающей к фотосинтезирующим клеткам. При фотосинтезе, вследствие реакций образования электронейтральных органических соединений происходит компенсационное выделение ионов OH-, что сопровождается увеличением pH и переходом части ионов HCO3- в CO32-

n H2CO3 ® (CH2O)n + n O2;

n HCO3- + n H2O ® (CH2O)n + n O2+ n OH-;

n CO32- + 2n H2O ® (CH2O)n + n O2+ 2n OH-;

Используя условие электронейтральности – постоянство общей щелочности – Alk

Alk = [HCO3-] + 2[CO32-] + [H2BO3]- + [OH]-

и смешанные константы диссоциации, можно выразить общую концентрацию неорганического углерода Ст как функцию активности ионов водорода (10-pH)

Необходимо знать, что в ходе водного фотосинтеза изменение концентрации ионов CO32- слагается из двух одновременно действующих и противоположно направленных процессов: уменьшением общего количества растворенного неорганического углерода Ст, который расходуется на синтез органических соединений, и увеличением концентрации CO32- в результате подщелачивания среды:

HCO3- + OH- ® CO32- + H2O

Это указывает на существование экстремального пересыщения, выше которого происходит снижение пересыщения при дальнейшем развитии фотосинтеза. Используя уравнение для пересыщения

Alk, M

[SB], M

[Ca2+], M

K'2(C)

K11(B)

K0w

g*OH-

K'arag

20°C

2,4·10-3

4,3·10-4

0,01

6,59·

·10-10

1,9·10-9

6,81·

·10-15

0,218

7,14·

·10-7

30°C

2,4·10-3

4,3·10-4

0,01

8,76·

·10-10

2,26·

·10-9

1,44·

·10-14

0,202

7,65·

·10-7

Табл.5 Расчетные параметры для уравнений (1) и (2),

где [ ] – концентрации; K'a – концентрационное произведение растворимости арагонита, являющегося основной фазой выпадающего из морской воды карбоната кальция – можно рассчитать зависимость пересыщения от pH.

В таблице 5 приведены значения расчетных параметров в уравнениях (1) и (2) для морской воды с соленостью 35%. При температурах 20°C и 30°C, охватывающих интервал поверхностных вод с наиболее интенсивным фотосинтезом. На рис. 3,а представлена кривая снижения концентрации растворенного углерода в системе в ходе фотосинтеза, а на рис. 3,б – зависимость пересыщения от интенсивности фотосинтеза (величины pH).

Как видно из этих рисунков, полного выделения растворенной углекислоты в фотосинтезирующих природных системах не происходит. Максимальное значение пересыщения – 11 – 12 раз по арагониту достигается уже при величинах pH = 9,2 – 9,4, реализуемых в природной обстановке.

Поскольку уравнения зависимости индукционного периода осаждения CaCO3 от пересыщения относятся к условиям морской воды с Ст = 2,33 ммоль/л = const, нельзя считать, что выведенные закономерности напрямую приложимы к условиям фотосинтеза. Дополнительным фактором неопределенности является влияние фосфат-ионов – главных ингибиторов осаждения CaCO3 в природе. Закономерное выведение фосфора из раствора через пищевые цепи организмов может сильно изменить оценку скорости осаждения карбоната кальция.

Были проведены и специальные исследования по изучению кинетики спонтанного осаждения карбоната кальция в условиях, моделирующих фотосинтез в морской воде. В отличие от более ранних экспериментов, в этой работе проводились по два параллельных опыта при индукционных периодах менее 500 минут, что позволило снизить относительную ошибку измерений до 10%. Величины индукционных периодов осаждения определяли визуально или спектрофотометрически. В слабопересыщенных растворах, в силу трудности обнаружения малого количества осадка, основным критерием с начала осаждения было уменьшение pH на заранее заданную величину. Дополнительный контроль карбонатной щелочности, измеренной в нескольких пробах, отфильтрованных через мембранный фильтр после окончания индукционного периода, показал ее заметное уменьшение. Это подтверждает надежность критерия снижения pH в качестве мер индукционного периода. Эксперименты проводили в закрытой ячейке при 20±0,5°C и 30±0,1°C, термостатируемой с помощью водного термостата U15. Во всех опытах использовали искусственную морскую воду соленостью 35%, отфильтрованную сначала через бумажный фильтр, а затем через мебрану 0,45 мм.

Варьирование концентрации общего углерода достигали путем смешивания двух растворов морской воды: без HCO3- и содержащей 10 ммоль/л NaHCO3. Далее в раствор с известной концентрацией общего углерода добавляли несколько капель раствора NaOH до создания величины pH, отвечающей данному Ст в соответствии с уравнением (1) и рис.3. Фосфат вводили в виде точной аликвоты свежеприготовленной морской воды, содержащей 10-5 M PO43-.

    Смотрите также

    Японские ученые объяснили принцип работы биологических наномоторов
    Коллектив японских и американских ученых создал несложную действующую модель, позволяющую лучше понять принцип работы биологических наномоторов, сообщают исследователи в препринте своей статьи (ведущи ...

    Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию. Особенности каждой системы
    ...

    Извлечение никеля из полировальных ванн для никелирования
    При нанесении декоративных хромовых покрытий на деталь для защиты от коррозии сначала наносят слой никеля. Для получения гладкой и блестящей поверхности, необходимой для хромирования, нанос ...