Закиселувањето на океаните и принципот на Ле Шателје

Океанот е голем резервоар од солена вода што одвојува два или повеќе копнени континенти. Овие водни екстензии покриваат поголем дел од површината на нашата планета (~71% ) и комуницираат едни со други, покривајќи илјадници квадратни километри и содржат повеќе трилиони кубни километри вода.Со оглед на овие димензии, разбирливо е дека океанот е главна карактеристика на нашиот свет и можеби нашава планета не треба да се вика Земја туку Вода.

Океанот бил претворен во глобален мега-организам пред 3 милијарди години, пред да се родат предците на сите денешни живи суштества и станал „глобална продавница за генетска размена“, каде клетките  се борат да преживеат и  сами си разменуваат  корисни делови меѓу себе, постепено еволуирајќи во се посложени организми.

Животот потекнува од нив и тие сè уште го одржуваат највисокиот процент на познат биодиверзитет, што исто така значи дека тие се извор на храна за луѓето и многу други економски и рекреативни активности. 70% од кислородот на Земјата доаѓа од планктоните на површината на океанот, што значи дека океанот апсорбира голема количина на јаглерод диоксид и го спречува ефектот на стаклена градина.

Покрај улогата на океанот како енергетски резервоар кој ја ублажува и стабилизира климата на Земјата, мора да ја опишеме неговата важна улога како резервоар за јаглерод во интеракција со атмосферата. Речиси целиот јаглерод во атмосферата, океанот и седиментите е во неговата најоксидирана форма како CO₂ или карбонати, HCO₃^– и CO₃^2–, во раствор или талог, главно CaCO₃. Интеракциите прикажани на сликата се суштински во рамнотежа со милениуми пред Индустриската револуција. Ненадејното (на геолошка временска рамка) и континуирано вбризгување на CO₂ од два века во овој хемиски систем ја наруши рамнотежата и сега ги набљудуваме ефектите од нарушените годишни до стогодишни размени забележани на сликата. За да видиме како додавањето CO₂ влијае на системот, прво треба да ги разгледаме главните реакции што се случуваат во системот  океан-атмосферата.

Растворливоста на CO₂ во морската вода се зголемува со притисокот на гасот и се намалува како што се зголемуваат температурата и соленоста на морската вода. Реакцијата на рамнотежа на растворање е:

CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)

Растварањето  на гасовите во океанот бара релативно долго време за да дојде до рамнотежа. Мешањето гас и течност на површината е неефикасно, дури и кога ветерот ја меша површината на течноста. Мешањето на горните слоеви на океанот со следните пониски слоеви трае многу години, како што е примерот за пренос на енергија во горните слоеви, а движењето на површинските слоеви до длабокиот океан трае со векови. Така, дел од CO₂ од согорувањето на фосилните горива се раствора во горните слоеви на океанот за неколку години, додека за дел од остатокот се потребни векови или милениуми за да дојде до рамнотежа на растворливост со целиот океан.

Оваа рамнотежа е температурно чувствителна. На пример, за време на глацијалниот период, системот имал  илјадници години да постигне рамнотежа при ниска температура на океанот. Како што температурата на океанот се зголемувала на почетокот на меѓуглацијалниот период, рамнотежата се поместувала налево. CO₂ станува помалку растворлив, неговата атмосферска концентрација се зголемува и придонесува за дополнително затоплување преку ефектот на стаклена градина.

Штом се раствори, брзите реакции на CO₂(aq) со водата и понатамошните киселинско-базни и јонски реакции на растворливост се она што го прави системот покомплексен од едноставното растворање на нереактивен гас.

CO₂(aq) + H₂O ⇌ HCO₃^–(aq) + H⁺(aq) . . . Ка₁. . . (2)

HCO₃^–(aq) ⇌ CO₃^2–(aq) + H⁺(aq) . . . Ка₂. . . (3)

Константите на рамнотежа овде ги претставуваат последователните константи на дисоцијација на киселина за јаглеродна киселина, H₂CO₃. Меѓутоа, водните раствори на CO₂ содржат само мала количина на H₂CO₃, така што производството на почетниот хидрониум јон , претставен со H⁺(aq), попрецизно се карактеризира со равенката (2) и неговата константа на рамнотежа.

Овде се користи киселинско-базната формулација на  Arrhenius, иако солватизирани протони, H⁺(aq), не постојат во воден раствор, бидејќи помага да се фокусираме на видовите што содржат јаглерод. Експлицитното вклучување на хидрониумјонот, H₃O⁺ и базата Brönsted-Lowry, H₂O, непотребно ги комплицира равенките.

Во морската вода, при pH = 8,2, дистрибуцијата помеѓу трите неоргански видови што содржат јаглерод, CO₂(aq), HCO₃^-(aq) и CO₃^2-(aq), е околу 0,5%, 89% и 10,5%, соодветно . Гледате дека првата рамнотежа, равенката (2), лежи далеку од страната на продуктот, со многу малку CO₂ (aq) оставен нереагиран во растворот, додека втората, равенката (3), ја фаворизира страната на реактантот, со што се прави хидрогенкарбонатен или бикарбонатен јон, HCO₃^–(aq), доминантен неоргански јаглероден вид во океанот.

Крајната судбина на овој неоргански јаглерод (кој не се инкорпорира во органскиот јаглерод преку фотосинтеза) е формирање на нерастворливи јонски соли, чие големо мнозинство е CaCO₃. За да помогнеме да го разбереме ефектот од додавање на повеќе CO₂ во океанот, го пишуваме формирањето на CaCO₃ на овој начин:

Ca²⁺(aq) + 2HCO₃^–(aq) ⇌ CaCO₃ + CO₂(aq) + H₂O. . .  (4)

Иако CaCO₃ е нерастворлив, формирањето на талог во концентрациите и соленоста во морската вода е бавно. Растворите имаат тенденција да се презаситуваат, така што, во оваа равенка, јонската сол не се карактеризира ниту како цврста, ниту како во воден раствор.

Многу морски организми користат CaCO₃ како дел од нивната структура. Коралите градат некои од највпечатливите од овие структури, вклучувајќи ги коралните гребени, како на сликата овде. Коралите се прекрасни екотуристички атракции и обезбедуваат домови за најголемата биолошка разновидност во океанот, но тие зафаќаат само мал дел од океанот во плитки води во близина на копното и имаат мало влијание врз јаглеродниот буџет на Земјата.

Реакциите во равенката (4) лесно се демонстрираат. Мешањето на концентрирани водни раствори на CaCl₂ и NaHCO₃ произведува веднаш обилно пенење со формирање на бел талог. Со CO₂ во варовната вода, воден раствор на Ca(OH)₂, најпрво се добива бел талог од CaCO₃(и), кој се раствора додека CO₂ продолжува да прави меурчиња во суспензијата.

Микроскопските организми, се наоѓаат на површината на сите океани ширум светот и имаат голем придонес во јаглеродниот „буџет“ на Земјата. Овие се фотосинтетички организми, така што тие го отстрануваат CO₂ од океанско-атмосферскиот систем додека произведуваат органски молекули кои го одржуваат нивниот живот. Тие, исто така, внесуваат јони Ca²⁺(aq) и HCO₃^–(aq) од околното море за да ги синтетизираат сложените форми на CaCO₃ што ја красат нивната надворешност. Во процесот на правење CaCO₃, тие произведуваат CO₂, како што покажува равенката (4).

Сепак, нема сомнеж дека, земени заедно, организмите наречени коколитофори претставуваат најголем извор на биоген CaCO₃ на Земјата, што значително придонесува за глобалниот јаглероден буџет. Лушпите што ги синтетизираат и фрлаат во текот на нивниот живот и оние што остануваат кога ќе умрат или повторно се раствораат или се додаваат на седиментот на дното на океаните.

Коколитите се индивидуални плочи на калциум карбонат формирани од коколитофори (едноклеточни алги како што се Emiliania huxleyi ) кои се распоредени околу нив во кокосфера

Ефект на aпсорбиран атмосферски CO₂ и принципот на Ле Шателје

Како што се зголемува количината на CO₂ во атмосферата, принципот на Ле Шателје применет на равенката (1) покажува дека количината во океаните на CO₂(aq), исто така се зголемува. Принципот на Ле Шателје применет на реакцијата (2) покажува дека зголемувањето на CO₂(aq) ја фаворизира директната реакција, зголемувајќи ги концентрациите на HCO₃^–(aq) и H⁺(aq). Слично на тоа, принципот на Ле Шателје применет на реакцијата (4) покажува дека зголемувањето на CO₂(aq) ја фаворизира обратната реакција, зголемувајќи ги Ca²⁺(aq) и HCO₃^-(aq), додека ги намалува концентрациите на CaCO₃. CO₂(aq) е кисел, па реагира со најсилната база присутна во значителна концентрација, CO₃^2–(aq) и го нарушува карбонатниот пуферски систем.

CO₂(aq) + CO₃^2–(aq) + H₂O ⇌ 2 HCO₃^–(aq) . . . (5)

 Нето резултатот од овие промени во концентрациите на рамнотежа е зголемен H⁺(aq), покисел океан и намалена достапност на CaCO₃ и CO₃^2-(aq). Експерименталното набљудување е дека pH на горниот слој на океанот е намален за 0,1 единица, од 8,2 на 8,1 во текот на минатиот век или така што околу 100 GtC (≈ 370 Gt CO₂) се растворени во океаните. Како што се раствора повеќе CO₂, овие промени во концентрацијата ќе продолжат и ефектите врз морскиот живот стануваат очигледни. Примерите може да вклучуваат поместување на некои видови од други подобро прилагодени на покиселата средина или неможноста на некои организми кои формираат школка да преживеат во средина која фаворизира растворање на CaCO₃. Последново е од голема загриженост бидејќи многу од овие организми се во основата на океанскиот синџир на исхрана што обезбедува значителен процент од човечкото снабдување со храна. Степенот и насоката на ефектите од променливиот океан сè уште не се сигурни, па затоа е вложен голем напор

Неорганскиот јаглерод во океанот е јаглеродот во трите видови и јонските соединенија настанати од нив. Органскиот јаглерод е јаглеродот во молекулите кои се синтетизираат од живите суштества, почнувајќи со фотосинтезата користејќи јаглерод од неорганскиот прекурсор, CO₂. Ова ги вклучува молекулите во живите суштества - фитопланктонот, крилот, китовите итн.

Резиме:

Океанот апсорбира и ослободува CO₂ од и во атмосферата за време на природно настанатите циклуси. Во океанот се случуваат посебни реакции кои водат до закиселување; тие се како што следува:

1. CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

Оваа хетерогена реакција на рамнотежа значи дека растворањето на јаглерод диоксид во вода  формира јаглеродна киселина. Ова е реверзибилна реакција, и затоа реакцијата ќе се смени за да достигне состојба на рамнотежа каде што брзината на директната реакција е еднаква на онаа на обратната. Имајќи го на ум принципот на Ле Шателје кога ја гледаме оваа специфична реакција, знаеме дека ако се додаде повеќе реактант (CO₂), рамнотежата на реакцијата ќе се помести за да создаде повеќе продукти (H₂CO₃).

2. H₂CO₃⇌ H⁺ + HCO₃^–

Оваа киселинско-базна рамнотежна реакција ја претставува дисоцијацијата на јаглеродната киселина на водородни катјони и бикарбонатни анјони. Ова е исто така реверзибилна реакција. и затоа реакцијата континуирано работи кон постигнување рамнотежа. Како што е наведено погоре, зголемувањето на CO₂, според Принципот на Ле Шателје, ќе ја зголеми количината на формирана јаглеродна киселина, а кога ќе се формира повеќе јаглеродна киселина, повикувајќи се на принципот на Ле Шателје, ќе видиме дека бикарбонатот и водородниот катјон  ќе бидат во поголемо изобилство. Ова зголемување на водородните јони со текот на времето ја зголемува киселоста на океанот (ја намалува pH вредноста).

3. H⁺ + CO₃^2-⇌ HCO₃^-

Оваа реакција ја претставува комбинацијата на водородни катјони, произведени во последната реакција, со карбонатните анјони, за да се формира бикарбонат. Ова е исто така обратна реакција, и исто така ќе работи кон  постигнување на рамнотежа. Покрај она што беше претходно кажано, оваа реакција или се поместува напред или е обратна врз основа на исходот од реакцијата пред неа. Ова е поврзано со принципот на Ле Шателје, бидејќи претходната реакција создава водородни јони, а ако се создадат повеќе, тогаш би имало и повеќе бикарбонати.

Дали сега имате претстава колку е битна рамнотежата во океаните?

Дури и ако никогаш немате шанса да го видите или допрете океанот, тој ве допира со секој здив, секоја капка вода што ја пиете, секој залак што го консумирате. Секој, секаде е нераскинливо поврзан и целосно зависен од  неговото постоење.

„Без вода, нашата планета би била една од милијардите безживотни карпи кои бескрајно лебдат во пространоста на  космичката празнина, со мастилна-црна боја“.

Фабиен Кусто, внук на Жак Кусто