Общий неорганический углерод

Сумма неорганических видов углерода

Общий неорганический углерод ( CT или TIC ₎ представляет собой сумму видов неорганического углерода .

Углеродные соединения можно разделить на органические и неорганические , а также растворенные и твердые в зависимости от их состава. Органический углерод составляет основу ключевых компонентов органических соединений, таких как _белки , липиды , углеводы и нуклеиновые кислоты . Неорганический углерод в основном содержится в простых соединениях, таких как углекислый _газ ( CO2 ) , угольная кислота ( H2CO3 ), _{бикарбонат} ( HCO−3) и карбонат ( CO2−3).

Обзор

Водная неорганическая углеродная система состоит из различных ионных, растворенных, твердых и/или газообразных форм углекислого газа в воде. Эти виды включают растворенный углекислый газ , угольную кислоту , бикарбонатный анион , карбонатный анион , карбонат кальция , карбонат магния и другие. Относительное количество каждого вида в водоеме зависит от физических переменных, включая температуру и соленость, а также химических переменных, таких как pH и парциальное давление газа. Такие переменные, как щелочность и растворенный (или общий) неорганический углерод, дополнительно определяют баланс массы и заряда, который ограничивает общее состояние системы. ^{[1] [2]}

При наличии любых двух из четырех центральных параметров системы неорганического углерода (pH, щелочность, растворенный неорганический углерод, парциальное давление углекислого газа) остаток можно вывести путем решения системы уравнений, которые соответствуют принципам химической термодинамики . ^[2]

На протяжении большей части 20-го века химическое равновесие в морских и пресноводных системах рассчитывалось в соответствии с различными соглашениями, что приводило к расхождениям между расчетами лабораторий и ограниченной научной воспроизводимости. ^[3] С 1998 года широко используется семейство программ под названием CO2SYS . Это программное обеспечение рассчитывает химическое равновесие для водных видов неорганического углерода и параметров. Их основная функция заключается в использовании любых двух из четырех центральных параметров системы неорганического углерода ( pH , щелочность , растворенный неорганический углерод и парциальное давление углекислого газа ) для расчета различных химических свойств системы. Программы широко используются океанографами и лимнологами для понимания и прогнозирования химического равновесия в природных водах. ^[4]

Неорганические виды углерода

Углерод разделяется на четыре отдельных пула в зависимости от того, является ли он органическим или неорганическим, и является ли он растворенным или твердым. Процессы, связанные с каждой стрелкой, описывают трансформацию, связанную с переносом углерода из одного резервуара в другой.

Неорганические виды углерода включают диоксид углерода , угольную кислоту , бикарбонат- анион и карбонат . ^[5] Принято одновременно выражать диоксид углерода и угольную кислоту как CO ₂ * . C _T является ключевым параметром при проведении измерений, связанных с pH природных водных систем, ^[6] и оценками потока диоксида углерода.

${\displaystyle C_{T}={\ce {[CO2^{\star }]{}+[HCO3^{-}]{}+[CO3^{2-}]}}}$

где,

• C _T — общий неорганический углерод
• [CO ₂ *] — сумма концентраций углекислого газа и угольной кислоты ( [CO ₂ *] = [CO ₂ ] + [H ₂ CO ₃ ] )
• [ХСО−3] — концентрация бикарбоната
• [СО2−3] — концентрация карбоната

Каждый из этих видов связан следующими химическими равновесиями, зависящими от pH:

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3- <=> 2 H+ + CO3^2-}}}$

Концентрация различных видов DIC (и то, какой вид является доминирующим) зависит от pH раствора, как показано на графике Бьеррума .

Общее содержание неорганического углерода обычно измеряется путем подкисления образца, что приводит к равновесию с CO ₂ . Затем этот газ барботируется из раствора и улавливается, а затем измеряется уловленное количество, обычно с помощью инфракрасной спектроскопии .

Морской углерод

Взаимосвязь между типами углерода

Морской углерод далее разделяется на твердые частицы и растворенные фазы. Эти пулы операционно определяются физическим разделением — растворенный углерод проходит через фильтр 0,2 мкм, а твердый углерод — нет.

В океанах встречаются два основных типа неорганического углерода:

• Растворенный неорганический углерод (РНУ) состоит из бикарбоната ( HCO⁻
  ₃), карбонат ( CO²⁻
  ₃) и углекислый газ (включая как растворенный CO ₂ , так и угольную кислоту H ₂ CO ₃ ). DIC может быть преобразован в твердый неорганический углерод (PIC) посредством осаждения CaCO ₃ (биологически или абиотически). DIC также может быть преобразован в твердый органический углерод (POC) посредством фотосинтеза и хемоавтотрофии (первичное производство). DIC увеличивается с глубиной, поскольку органические частицы углерода погружаются и вдыхаются. Свободный кислород уменьшается по мере увеличения DIC, поскольку кислород потребляется во время аэробного дыхания.
• Частицы неорганического углерода (PIC) — это другая форма неорганического углерода, обнаруженная в океане. Большая часть PIC — это CaCO3 _, который составляет раковины различных морских организмов, но также может образовываться в событиях с мерлангами . Морские рыбы также выделяют карбонат кальция во время осморегуляции . ^[7]

Некоторые из неорганических видов углерода в океане, такие как бикарбонат и карбонат , являются основными факторами щелочности , естественного буфера океана, который предотвращает резкие изменения кислотности (или pH ). Морской углеродный цикл также влияет на скорость реакции и растворения некоторых химических соединений, регулирует количество углекислого газа в атмосфере и температуру Земли. ^[8]

Ссылки

1. Zeebe, Richard E.; Wolf-Gladrow, Dieter A. (15 октября 2001 г.). CO2 в морской воде: равновесие, кинетика, изотопы. Амстердам. ISBN 978-0-08-052922-6. OCLC  246683387.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. Stumm, Werner; Morgan, James J. (2012). Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters (3-е изд.). Hoboken: Wiley. ISBN 978-1-118-59148-2. OCLC  830169758.
3. Льюис; Уоллес (1998). «Программа, разработанная для расчетов системы CO2». ORNL/CDIAC-105 .
4. Orr, JC; Epitalon, J.-M.; Gattuso, J.-P. (2015-03-09). "Сравнение десяти пакетов, которые вычисляют химию карбонатов океана". Biogeosciences . 12 (5): 1483–1510. Bibcode : 2015BGeo...12.1483O. doi : 10.5194/bg-12-1483-2015 . ISSN  1726-4189.
5. C. Michael Hogan. 2010. Кальций. ред. A. Jorgensen, C. Cleveland. Энциклопедия Земли. Национальный совет по науке и окружающей среде.
6. Стэнли Э. Манахан. 2005. Химия окружающей среды. CRC Press
7. Wilson, RW; Millero, FJ; Taylor, JR; Walsh, PJ; Christensen, V.; Jennings, S.; Grosell, M. (2009-01-16). «Вклад рыб в морской цикл неорганического углерода». Science . 323 (5912): 359–362. Bibcode :2009Sci...323..359W. doi :10.1126/science.1157972. ISSN  0036-8075. PMID  19150840. S2CID  36321414.
8. Эмерсон, Стивен (2008). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Соединенное Королевство: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4.