Дослідження екологічного впливу антропогенних факторів на геохімічний колообіг фосфору

У порівнянні із середнім умістом Карбону в земній корі, людство у винятково великих кількостях видобуває Карбон із надр (вугілля, нафта, природний газ), тому що ці копалини — основні сучасні джерела енергії.

Карбон  широко розповсюджений також у космосі; на Сонці він займає четверте місце після Гідрогену, Гелію й Кисню.

     Вуглець в природі зустрічається як у  вільному стані (алмаз, графіт), карбін і лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки, так і у вигляді різноманітних сполук. Середній вміст Вуглецю у земній корі 2,3·10-2 % (мас); при цьому основна маса Вуглецю концентрується в осадових гірських породах.

Карбон накопичується у верхній частині земної кори, де його присутність пов'язана в основному з живою речовиною, кам’яним вугіллям, нафтою, антрацитом, а також з доломітами і вапняками. Відомо понад 100 мінералів Вуглецю, з яких найбільш поширені карбонати кальцію, магнію і заліза. Важливу роль Карбон має і в космосі; на Сонці Вуглець займає 4-е місце за поширеністю після водню, гелію і кисню, бере участь у ядерних процесах. Він входить до складу кам'яного вугілля, нафти і природного газу, а також різних мінералів: мармуру, крейди і вапняку — CaCO₃, доломіту — CaCO₃·MgCO₃, магнезиту — MgCO₃, малахіту — CuCO₃·Cu(OH)₂ тощо.[5]

     2.2 Біологічна роль  Карбону

 

     Серед багатьох хімічних елементів, без яких неможливе життя на Землі, вуглець є найголовнішим. Хімічні перетворення органічних речовин пов'язані з можливістю атома вуглецю утворювати довгі ланцюги та кільця.

Біогеохімічний  цикл вуглецю, звичайно, дуже складний, оскільки він включає не тільки функціонування всіх форм життя, але й перенос  неорганічних речовин як між різними  резервуарами вуглецю, так і у середині їх. Основними резервуарами вуглецю є атмосфера, континентальна біомаса, включаючи ґрунти, гідросфера з морською біотою та літосфера.

Відомо  більше мільйона органічних сполук, тисячі з яких беруть участь у біологічних  процесах.

     Вуглець – біогенний елемент. Його з'єднання відіграють особливу роль в життєдіяльності рослинних і тваринних організмів (середній вміст вуглецю 18%).

     Атоми вуглецю мають здатність утворювати ланцюги типу "вуглець-вуглець" будь-якої довжини і різного ступеня розгалуженості; ці ланцюги можуть замикатися в кільця (циклічні різновиди вуглеводнів). В даний час відомо декілька мільйонів органічних сполук; на вуглецевій основі побудована все життя на землі.

     Сполуки вуглецю (вуглеводи, білки, жири, ДНК і РНК, гормони, аміно-і карбонові кислоти) беруть участь у побудові всіх тканин організму, забезпеченні життєдіяльності тварин і рослин.

     Головною  функцією Карбону є формування різноманітності органічних сполук, тим самим забезпечуючи біологічне різноманіття, участь у всіх функціях і проявах живого. У біомолекулах вуглець утворює полімерні ланцюги і міцно з'єднується з воднем, киснем, азотом і іншими елементами. Така істотна фізіологічна роль вуглецю визначається тим, що цей елемент входить до складу всіх органічних сполук і бере участь практично у всіх біохімічних процесах в організмі.

     Окислення сполук вуглецю під дією кисню  приводить до утворення води і  вуглекислого газу; цей процес служить  для організму джерелом енергії.

     Двоокис вуглецю CO₂ (вуглекислий газ) утворюється в процесі обміну речовин, є стимулятором дихального центру, грає важливу роль в регуляції дихання і кровообігу. [6]

     2.3 Хімічні та фізичні  властивості Карбону  та його сполук

 

     Вуглець утворює декілька видозмін: природні – алмаз, графіт, лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки і штучні: карбін, аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля.

     Алмаз – прозора та безбарвна або трохи забарвлена домішками в різноманітні відтінки кристалічна речовина. Він яскраво блищить внаслідок сильного заломлення проміння. Алмаз — найтвердіший серед усіх відомих речовин. Завдяки своїй надзвичайній твердості він широко застосовується при бурінні твердих гірських порід, обробці твердих металів і їх сплавів тощо. Відшліфовані безбарвні кристали алмазу – діаманти – коштовні прикраси.

     Графіт  – темно-сіра непрозора дрібнокристалічна речовина, жирна на дотик. На відміну від алмазу графіт добре проводить електричний струм і тепло і дуже м'який. Графіт у великих кількостях одержують штучно – нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах при температурі близько 3000°С і підвищеному тиску без доступу повітря. Штучний графіт відзначається високою чистотою і м'якістю. За своїми якостями він кращий за природний. Графіт широко застосовується для виготовлення електродів, в суміші з глиною для виробництва вогнетривких тиглів. З графіту роблять звичайні олівці. В суміші з мінеральним маслом його використовують як мастило для машин, що працюють при підвищених температурах.

     Різка відмінність у фізичних властивостях алмазу і графіту обумовлюється їх різною кристалічною будовою. В кристалах алмазу кожний атом вуглецю оточений чотирма іншими атомами, розміщеними на однаковій віддалі один від одного. В кристалах графіту атоми вуглецю розміщені у кутах правильних шестикутників в одній площині і утворюють окремі шари. Віддаль між окремими шарами більша, ніж між атомами в тому ж шарі. Внаслідок цього зв'язок між окремими шарами значно слабший, ніж між атомами того ж шару. Тому кристали графіту легко розщеплюються на окремі лусочки, які самі по собі досить міцні.  

     Карбін - штучно отриманий різновид Вуглецю який являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору, кристалічна структура якого характеризується наявністю довгих ланцюжків атомів, розташованих паралельно.

     Фулерен – специфічна вуглецева структура, молекула якої має вигляд м'яча. Внутрішня частина молекули пуста, що обумовлює широкі можливості для одержання на основі фулерену сполук включення.

     Вуглецеві нанотрубки  специфічна вуглецева  структура в якій атоми вуглецю  утворюють поверхню, що "скручена" в трубку нанорозмірів. Має унікальні фізичні властивості, зокрема міцність на розрив, адсорбційну здатність. Активно досліджується і має великі перспективи для використання. Вуглецеві нанотрубки виявлені у природі (шунгіт) і одержані штучно.

     Аморфний  вуглець – стан вуглецю з неврегульованою структурою - (сажа, кокс, деревне вугілля). У природі не зустрічається. Його одержують штучно з різних сполук, що містять вуглець. Аморфний вуглець, або просто аморфне вугілля, насправді є кристалічним, але його кристалики такі малі, що їх не видно навіть у мікроскоп. Фізичні властивості аморфного Вуглецю значною мірою залежать від дисперсності частинок і від наявності домішок.

Найважливішими  технічними сортами аморфного вуглецю  є сажа і деревне вугілля. Сажа являє собою найчистіший аморфний вуглець. У промисловості сажу одержують головним чином термічним розкладом метану, а також при спалюванні різних органічних речовин при недостатньому доступі повітря. Сажу широко використовують як наповнювач при виробництві гуми з каучуку, а також для виготовлення друкарської фарби, туші тощо.

Деревне вугілля добувають при нагріванні дерева без доступу повітря у  спеціальних печах. Його застосовують у металургії для одержання високих  сортів чавуну і сталі, в ковальській справі, для виготовлення чорного пороху і як адсорбент.

     Лонсдейліт  виявлений у метеоритах і отриманий  штучно; його структура і фіз. властивості  остаточно не встановлені.

     Хімічна активність різних алотропних видозмін вуглецю різна. Алмаз і графіт майже не вступають в хімічні реакції. Вони можуть реагувати лише з чистим киснем і то тільки при дуже високій температурі.

Аморфний  вуглець (а також вугілля) при  звичайній температурі досить інертний, але при сильному нагріванні його активність різко зростає і він безпосередньо сполучається з багатьма елементами. Так, при нагріванні на повітрі вугілля горить, утворюючи діоксид вуглецю: 

     C + O₂ = CO₂       (2.1) 

При недостатньому  доступі кисню повітря він  частково згоряє до монооксиду вуглецю CO, в якому вуглець двовалентний: 

        2C + O₂ = 2CO      (2.2) 

Коли  через розжарене вугілля пропускати пари сірки, то утворюється сірковуглець: 

                                         C + 2S = CS₂                 (2.3) 

При високій  температурі вугілля досить сильний відновник. Воно віднімає кисень від оксидів багатьох металів. Наприклад: 

                                        2CuO + C = 2Cu + CO₂↑           (2.4) 

Використовуючи  цю здатність, вугілля широко застосовують в металургії для добування металів  з руд.

Ступені окислення елемента: +4, −4, рідко +2 (З, карбіди металів), +3 (C₂N₂, галогенциани); спорідненість до електрона 1,27 еВ; енергія іонізації при послідовному переході від СО до С⁴⁺ відповідно 11,2604, 24,383, 47,871 і 64,19 еВ.[7] 

     2.4 Біологічний колообіг Карбону

 

     Міграція  вуглекислого газу в біосфері Землі  протікає двома шляхами. Перший шлях полягає у поглинанні його в процесі  фотосинтезу з утворенням органічних речовин і в подальшому "похованні" їх у літосфері у вигляді торфу, вугілля, нафти, горючих сланців, осадових гірських порід. Другим шляхом міграція вуглекислого газу здійснюється при розчиненні їх у водах Світового океану, де СО₂ переходить в Н₂СО₃, НСО₃^-, СО₃^2-, а потім біогенним (зоо-чи фітогенні) або хемогенних шляхом з'єднується з кальцієм, утворюючи величезні маси СаСО₃ (вапняні кістяки деяких безхребетних, вапняні водорості і вапняні мули), в результаті чого виникають потужні товщі карбонатних порід. Згідно з розрахунками вченого А. Б. Ронова, ставлення похованого вуглецю в продуктах фотосинтезу до вуглецю в карбонатних породах становить приблизно 1:4.

Крім  СО₂ в атмосфері присутні в невеликих кількостях ще два вуглецевих з'єднання: оксид вуглецю (II) - СО і метан СН₄. Як і СО₂, ці з'єднання перебувають у швидкому кругообігу.

     Необхідно звернути увагу на той факт, що в умовах незайманого господарською діяльністю людини природного середовища глобальний кругообіг вуглецю та інших елементів (сірки, фосфору, азоту) є практично замкнутим. В даний час замкнутість кругообігу вуглецю знизилася приблизно на один порядок (тобто зменшилася приблизно в 10 разів), що при збереженні такої тенденції може призвести до глобальної екологічної проблеми. Таким чином, особливо важливе значення в даний час набуває наукова (експериментальна) оцінка замкнутості глобальних кругообігів основних біогенних елементів.

Вуглець гідросфери найтіснішим чином пов'язані з вуглецем атмосфери і також бере участь в життєвому циклі, як і останній (фотосинтез здійснюється і водними рослинами, а виділення двоокису вуглецю в воду відбувається також при диханні гетеротрофів в океані). Таким чином, життєвий цикл охоплює живу речовину суходолу та моря, вуглекислий газ в атмосфері і розчинену вуглекислоту морської води і здійснюється через фотосинтез, дихання гетеротрофів і газообмін між атмосферою і гідросферою.[8]

     2.4.1 Колообіг Карбону  в атмосфері

 

     В атмосфері вуглець міститься  у вигляді вуглекислого газу, чадного  газу, метану та деяких інших вуглеводнів. Вміст СО₂ зараз складає ~ 0.04% (збільшилася на 31%, в порівнянні з доіндустріальної епохою), метану ~ 1.7 % (збільшився на 14%), на два порядки менше, ніж СО₂; вміст СО ~ 0.1 %. Метан і вуглекислий газ мають парниковим ефектом, чадний газ такого впливу не надає.

     Для атмосферних газів застосовується поняття час життя газу в атмосфері, це час, за який в атмосферу надходить стільки ж газу, скільки його міститься в атмосфері. Час життя метану оцінюється в 10-14 років, а час життя вуглекислого газу оцінюється в 3-5 років. СО окислюється до СО₂ за кілька місяців.

Метан потрапляє в атмосферу в результаті анаеробного розкладання рослинних залишків. Основними джерелами надходження метану в сучасну атмосферу є болота і тропічні ліси.

     Сучасна атмосфера містить велику кількість  кисню, і метан в ній швидко окислюється. Таким чином, зараз  домінуючому циклом є кругообіг CO₂, проте в ранній історії Землі ситуація була принципово іншою і метановий цикл домінував, а вуглекислотний мав підпорядковане значення. Вуглекислий газ атмосфери є джерелом вуглецю для інших приповерхневих геосфер.