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 , растворенные и дисперсные , в зависимости от их состава. Органический углерод образует основу ключевых компонентов органических соединений, таких как белки , липиды , углеводы и нуклеиновые кислоты . Неорганический углерод содержится в основном в простых соединениях, таких как диоксид углерода ( CO ₂ ), угольная кислота ( H ₂ CO ₃ ), бикарбонат ( HCO−3) и карбонат ( CO2-3).

Обзор

Водная неорганическая углеродная система состоит из различных ионных, растворенных, твердых и/или газообразных форм диоксида углерода в воде. К этим видам относятся растворенный диоксид углерода , угольная кислота , бикарбонат- анион , карбонат-анион , карбонат кальция , карбонат магния и другие. Относительное количество каждого вида в водоеме зависит от физических переменных, включая температуру и соленость, а также от 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]}

Учитывая любые два из четырех основных параметров системы неорганического углерода (pH, щелочность, растворенный неорганический углерод, парциальное давление углекислого газа), остаток может быть получен 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 в лабораторных расчетах и ​​ограниченной научной воспроизводимости. ^[3] С 1998 года широко используется семейство программ под названием CO2SYS . Это программное обеспечение рассчитывает химическое равновесие для водных неорганических видов углерода и параметров. Их основная функция — использовать любые два из четырех основных 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, а также 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] Диоксид углерода и углекислоту принято выражать одновременно как CO ₂ * . C _T является ключевым параметром при проведении измерений, связанных с pH природных водных систем ^[6] и оценках потоков углекислого газа.

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

где,

• C _T – общее количество неорганического углерода
• [CO ₂ *] — сумма концентраций углекислого газа и углекислоты ( [CO ₂ *] = [CO ₂ ] + [H ₂ CO ₃ ] )
• [ОХС−3] — концентрация бикарбоната
• [КО2-3] — концентрация карбоната

Каждый из этих видов связан следующими химическими равновесиями, обусловленными pH:

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

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

Общий неорганический углерод обычно измеряется по подкислению образца, которое приводит к равновесию CO ₂ . Затем этот газ барботируют из раствора и улавливают, а затем измеряют уловленное количество, обычно с помощью инфракрасной спектроскопии .

Морской углерод

Связь между типами углерода

Морской углерод далее разделяется на твердую и растворенную фазы. Эти бассейны оперативно определяются путем физического разделения: растворенный углерод проходит через фильтр с размером пор 0,2 мкм, а твердые частицы углерода — нет.

В океанах встречается два основных типа неорганического углерода:

• Растворенный неорганический углерод (DIC) состоит из бикарбоната ( HCO⁻
  ₃), карбонат ( CO²⁻
  ₃) и диоксид углерода (включая как растворенный CO ₂ , так и угольную кислоту H ₂ CO ₃ ). DIC может быть преобразован в твердый неорганический углерод (PIC) путем осаждения CaCO ₃ (биологическим или абиотическим путем). DIC также может быть преобразован в твердый органический углерод (POC) посредством фотосинтеза и хемоавтотрофии (первичное производство). ДВС увеличивается с глубиной по мере того, как частицы органического углерода тонут и выдыхаются. Свободный кислород уменьшается по мере увеличения ДВС-синдрома, поскольку кислород потребляется во время аэробного дыхания.
• Частицы неорганического углерода (PIC) — это еще одна форма неорганического углерода, обнаруженная в океане. Большая часть PIC представляет собой CaCO ₃ , входящий в состав раковин различных морских организмов, но также может образовываться при путассу . Морские рыбы также выделяют карбонат кальция во время осморегуляции . ^[7]

Некоторые из неорганических видов углерода в океане, такие как бикарбонат и карбонат , вносят основной вклад в щелочность , естественный буфер океана, который предотвращает резкие изменения кислотности (или pH ). Морской углеродный цикл также влияет на скорость реакций и растворения некоторых химических соединений, регулирует количество углекислого газа в атмосфере и температуру Земли. ^[8]

Рекомендации

1. Зибе, Ричард Э.; Вольф-Гладроу, Дитер А. (15 октября 2001 г.). CO2 в морской воде: равновесие, кинетика, изотопы. Амстердам. ISBN 978-0-08-052922-6. ОКЛК  246683387.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. Штумм, Вернер; Морган, Джеймс Дж. (2012). Водная химия: химическое равновесие и скорость в природных водах (3-е изд.). Хобокен: Уайли. ISBN 978-1-118-59148-2. ОСЛК  830169758.
3. Льюис; Уоллес (1998). «Программа, разработанная для расчета систем CO2». ОРНЛ/CDIAC-105 .
4. Орр, Дж.К.; Эпиталон, Ж.-М.; Гаттузо, Ж.-П. (09 марта 2015 г.). «Сравнение десяти пакетов, рассчитывающих химический состав карбонатов океана». Биогеонауки . 12 (5): 1483–1510. Бибкод : 2015BGeo...12.1483O. дои : 10.5194/bg-12-1483-2015 . ISSN  1726-4189.
5. К. Майкл Хоган. 2010. Кальций. ред. А. Йоргенсен, К. Кливленд. Энциклопедия Земли. Национальный совет по науке и окружающей среде.
6. Стэнли Э. Манахан. 2005. Химия окружающей среды. ЦРК Пресс
7. Уилсон, RW; Миллеро, Ф.Дж.; Тейлор, младший; Уолш, Пи Джей; Кристенсен, В.; Дженнингс, С.; Гроселл, М. (16 января 2009 г.). «Вклад рыбы в морской цикл неорганического углерода». Наука . 323 (5912): 359–362. Бибкод : 2009Sci...323..359W. дои : 10.1126/science.1157972. ISSN  0036-8075. PMID  19150840. S2CID  36321414.
8. Эмерсон, Стивен (2008). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-83313-4.