biossido di carbonio co2 - Cineca

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
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)
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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.