Глобальный цикл углерода

Углерод - четырехвалентный элемент во втором периоде четвертой группы периодической системы Д. Менделеева. При движении слева направо по периодам происходит ослабление восстановительных и нарастание окислительных свойств. На атом углерода приходится баланс этих свойств. Он является четвертым по распространенности во Вселенной после водорода, гелия и кислорода и десятым — в земной коре. Углерод присутствует в разнообразных формах, соединяется с водородом, серой, азотом, кислородом и металлами. В низшем энергетическом (основном) состоянии атом углерода имеет следующую электронную конфигурацию: ls22s22p2.

Валентная оболочка атома углерода заполнена двумя спаренными s-электронами и двумя неспаренными р-электронами. В химических реакциях С-атом возбуждается (ДН= 405 кДж/моль). Уникальной чертой атомов углерода является их способность связываться друг с другом, образуя длинные углеродные цепи и кольца. При этом связь между атомами может быть как вида С—С, так и вида С=С. Благодаря этой способности число со­единений, содержащих углерод, составляет более 14,5 млн. Углерод способен образовывать прочные ковалентные связи, соответствующие наиболее стабильному состоянию вещества. Самые распространенные на Земле соединения углерода: С02 — наиболее окисленная форма углерода; СН4—наиболее восстановленная форма.

Из трех природных изотопов углерода 12С, 13С и радиоактивного 14С в соединениях преобладает 12С. Кларк последнего изотопа 98,89%. Наличие этих изотопов является причиной того, что атомная масса углерода является дробным числом — 12,011. Изотопный состав углерода индивидуальных соедине­ний определяется их генезисом и составом исходных веществ. Например, углеводороды нефти содержат больше легких изотопов, а известняки обогащены тяжелыми изотопами. В целом органический углерод осадочных толщ содержит 13С меньше, чем углерод карбонатов. Это обусловлено процессами фотосинтеза, при которых происходит очень широкое фракционирование изотопов. Дефицит 13С служит показателем биогенного генезиса углерода.

Углерод способен образовывать различные aллотропные соединения. Установлено пять аллотропных соединений углерода, различных по структуре: алмаз, графит, карбин, графен и фуллерен. В алмазе атомы углерода равномерно расположены в пространстве и связаны ковалентными связями. Графит имеет плоскостное расположение атомов углерода, составляющих правильные шестиугольники. Карбин - линейный полимер, представляющий цепочку чередующихся атомов углерода с одинарными, двойными или тройными связями. Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. Фуллерены С60 и С70 представляют собой полые сферические и сфероидные образования. Поверхность фуллеренов сшита из структурных элементов, подобных графитовым.

Общая картина распределения углерода в земной коре представлена в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Распределение масс углерода в земной коре

         
Части земной коры Масса, х∙1018т СО2, х∙1015т Ск, х∙10"5т Сорг х∙1015т
Земная кора в целом 28,46
Континентальная 18,07
Субконтинентальная 4,30
Океаническая кора 6,09
Осадочная оболочка 2,4

В атмосфере находится 2450∙109 т углекислого газа, что соответствует 668 109 т углерода. В океане углерод присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе гидрокарбонат-иона. В Мировом океане содержится примерно 2100 млрд т органического Сорг и 38 600 млрд т карбонатного Ск углерода. Следует подчеркнуть, что те и другие биогенны.

Основная масса С представлена рассеянным органичес­ким веществом. Концентрированные скопления Сорг в виде залежей нефти и углей имеют подчиненное значение: в место­рождениях нефти находится примерно 200 млрд т углерода; в месторождениях каменного угля — 6000 млрд т углерода. В сумме это на три порядка меньше массы углерода, рассеян­ного в осадочной оболочке органического вещества.

Карбонатообразование и фотосинтез ОВ имеют общую направленность на удаление из атмосферы углекислого газа, непрерывно поступающего из мантии. Скорость выведения углерода в морские осадки может достигать 85 млн т/год Ск и 20 — С . Эти процессы являются частью глобального меха­низма поддержания невысокой концентрации С02 в атмосфе­ре Земли, что важно в связи с недопущением возникновения на планете парникового эффекта.

Масса растений Мировой суши составляет 1880 109 т. Средняя концентрация углерода в сухом веществе растительности равна 46%, следовательно, масса углерода в растениях суши составляет около 860 млрд. т. В биомассе океанских продуцентов-фотосинтетиков сосредоточено 1,7- 109 т Сорг, в океанских организмах-консументах связано 2,3-109 т Сорг. Океан действует как насос, забирая С02 из атмосферы в холодных областях земного шара и отдавая его в тропических областях. На протяжении года живое вещество суши и океана поглощает 440 млрд. т С02.

В почве имеется значительное количество неживого органического вещества: разложившиеся растительные остатки—около 200 млрд. т, скопления торфа—500 млрд. т и почвенный гумус. Примерно за 1000 лет в почве за счет отмирающих продуктов фотосинтеза и образования гумусовых веществ связывается масса углерода, соизмеримая с массой этого элемента в атмосфере.

Главной формой нахождения углерода в земной коре является Ск. Карбонатообразование и фотосинтез — это два генеральных процесса в глобальной деятельности живого вещества на протяжении последних 3 млрд лет. Соотношение С и Сорг является важным показателем «лимита роста» живого ве­щества на разных этапах геологической истории. Это соотношение закономерно уменьшалось на протяжении последних полутора миллиардов лет. В толще осадков протерозоя (1500…570 млн лет) отношение Ск: С равно 18, в осадочной толще палеозоя (570…400 млн лет) — 11, в осадках мезозоя (235…66 млн лет) — 5,2, кайнозоя — 2,9.

В осадочных породах углерод присутствует в виде карбо­натов (до 80%) и органического вещества (до 20%) и находится как в рассеянной форме, так и в концентрированной, включая залежи горючих полезных ископаемых. В гидросфере более 90% углерода представлено в карбонатной форме, около 9 % — в виде растворенного органического вещества. Углерод найден в метеоритах, обнаружен в кометах и в атмосферах других планет в форме С02 и в виде органических соединений СН, CN, CS2h более сложных.

Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, являются продуктом взаимодействия геосфер. Вся история их формирования и разрушения является частью общего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко отражает связь биосферы с глубинными частями Земли.

Углерод — один из элементов, образующих живое вещество Земли. Хранители углерода — живая биомасса, гумус, карбонатные осадочные породы, горючие полезные ископаемые. На рис. 2.2 схематично представлена последовательная эволюция сатанического вещества (ОВ)как в рассеянной, так и в концентрированной форме от момента его возникновения в живом веществе, захо­ронения и преобразования в диагенезе, затем трансформации в катагенезе до углеводородов и конечных продуктов преобразования ОВ — графита и метана.

Малый глобальный цикл продолжительностью от нескольких суток до нескольких тысяч лет происходит в биосфере. Этот цикл еще называют биотическим круговоротом вещества, потому что он происходит при участии живых организмов: pacтений, животных, микроорганизмов. Этот цикл является поставщиком углерода для большого глобального цикла про­должительностью многие миллионы лет. Неотъемлемым элементом этого цикла является нефте- и газообразование. При условии длительного и устойчивого погружения осадочных пород углеводороды являются продуктом промежуточной стадии глобального углеродного цикла.

Рис. 2.2. Малый и большой глобальные циклы








Дата добавления: 2015-12-26; просмотров: 1512;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.005 сек.