Круговорот углерода в природе.
Основным резервуаром углерода
являются горные породы; в них, по существующим оценкам, его содержится примерно 75 квадриллионов тонн. Еще 5 триллионов тонн содержится в горючих полезных ископаемых — угле, нефти, газе и торфе. Примерно 150 млрд. т приходится на верхний слой донных океанических осадков. Эти запасы в обычных условиях недоступны для живых организмов. Для них важнее «оборотный пул» углерода, представленный на рисунке.
Главный источник углерода
для живых организмов — это диоксид углерода (углекислый газ), содержащийся в атмосфере и растворенный в поверхностных водах. В процессе фотосинтеза зеленые растения, водоросли и цианобактерии превращают это неорганическое вещество в углеводы, из которых затем образуется углеродный скелет всех прочих органических молекул. Фотосинтетическая ассимиляция диоксида углерода компенсируется его выделением в процессе дыхания, что способствует поддержанию природного равновесия. Однако не весь фиксированный диоксид углерода возвращается в атмосферу за счет дыхания. В анаэробной среде, например в болотах или на слабо освещенном дне стоячих водоемов, минерализация органики идет очень медленно, и она накапливается в виде ила или торфа. В определенных условиях через длительный период времени эти осадки могут образовать залежи ископаемого топлива.
В океанах основными механизмами поглощения диоксида углерода
из атмосферы является фотосинтез, главным образом фитопланктонный, и растворение в поверхностных водах. Значительная часть этого связанного диоксида углерода быстро возвращается назад — непосредственно из раствора или в результате дыхания. Однако, как и в наземных экосистемах, некоторая доля углерода надолго задерживается, например при погружении холодных поверхностных вод в глубину или в составе образуемых морскими организмами карбонатных структур (раковин, кораллов и т. д.), которые со временем превращаются в горные породы типа известняка.
Скорость переноса углерода
между его резервным и оборотным пулами может меняться из года в год в зависимости от климатических флуктуации. На этот баланс влияет также деятельность человека, особенно изменение землепользования (сведение леса или лесопосадки), использование ископаемого топлива и производство цемента. Судя по имеющимся данным, именно человек обусловливает значительный рост содержания диоксида углерода в атмосфере с эпохи промышленной революции.
Повышение скорости мобилизации углерода
из его резервуаров типа ископаемого топлива и карбонатов (при производстве цемента) и потенциальное влияние этого ускорения на глобальный климат и экосистемы — весьма актуальные темы ведущихся сейчас экологических исследований и дебатов. Преобладает мнение, что сохранение нынешних темпов поступления в атмосферу диоксида углерода грозит весьма серьезными последствиями для всей планеты. Правительства предпринимают усилия к сокращению выбросов диоксида углерода промышленностью и масштабов использования ископаемого топлива в целом за счет более широкого применения альтернативных видов энергии, например солнечной и ветровой.
Аллотропные модификации
Общие сведения, аллотропия углерода Углерод (лат. carboneuia) известен с глубокой древности. В земной коре его содержится примерно 0,35% по массе. В природе углерод встречается в свободном и связанном состоянии, главным образом в виде карбонатов (мел, известняк, мрамор), в каменных и бурых углях, торфе. Углерод входит в состав нефти, природного газа, воздуха, растений, организмов человека и животных. Его соединения составляют основу живой природы - флоры и фауны. Атом углерода имеет 6 электронов, 2 на внутреннем слое (1s2), а 4 (2s22р2) - на внешнем. С наиболее активными металлами углерод проявляет степень окисления -4. Углерод способен соединяться между собой с образованием прочных длинных цепей. В отличие от кислорода и азота углерод при обычных условиях не образует молекул, у него атомная кристаллическая решетка. Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол. Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз - самое твердое вещество, найденное в природе. Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям. Карбин - получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин -C=C-C=C-C=C-. Букибол - получен в 1985г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода. Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.