Pierpaolo Cavallo 1

CICLO DEL CARBONIO

Prof. Pierpaolo Cavallo

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IL CARBONIO

E’ un non metallo, appartiene al IV

gruppo ed al II periodo. Possiede 4

elettroni esterni per cui può formare

4 legami covalenti polari. E’

l’elemento della vita in quanto,

insieme all’ossigeno, azoto e

idrogeno costituisce i principali

composti chimici che costituiscono i

viventi: CARBOIDRATI, LIPIDI,

PROTEINE e ACIDI NUCLEICI. 2

CARATTERISTICHE DEL CARBONIO

Rappresenta lo 0,2% della crosta terrestre e lo

0,04% dell’atmosfera.

Allo stato elementare può essere cristallino o

amorfo.

Il carbonio puro fino al 1990 era noto sotto forma di

2 minerali: il diamante e la grafite in relazione agli

intervalli di temperatura e pressione ai quali

cristallizzava.

Dopo tale data è stato isolato un terzo stato

allotropico che si presenta sotto forma di particolari

strutture poliedriche: FULLERENE. 3

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IL DIAMANTE

Si presenta sotto forma di cristalli trasparenti ove

ogni atomo di carbonio forma legami covalenti con altri atomi di carbonio in una struttura rigida e molto compatta a forma di tetraedro (i legami molto forti lo rendono il minerale più duro tanto da occupare l’ultimo posto nella scala di Mohs).

È molto resistente agli agenti atmosferici, non conduce la corrente elettrica ed ha una densità 3,5 volte maggiore di quella dell’acqua.

Viene usato come gemma preziosa ma anche nella produzione di punte di trapani e utensili da taglio.

4

LA GRAFITE

Si presenta opaca, grigia, molto tenera, untuosa al

tatto in quanto la sua struttura cristallina assume

una forma esagonale a strati paralleli, che sono,

però, piuttosto distanti l’uno dall’altro e ne

determinano le caratteristiche come minerale molto

fragile, tenero e sfaldabile.

La grafite, inoltre, conduce l’elettricità e presenta

un’alta temperatura di fusione (3500° C).

Viene usata per la fabbricazione delle matite, nelle

industrie siderurgiche, come lubrificante,

costruzione di pile ecc. 5

ALLOTROPIA

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Geometria molecolare – molecole pentaatomiche

Planare quadrata

Tetraedrica 7

Geometria molecolare – molecole triatomiche

Lineare, es. CO2

Piegata, es. H2O 8

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CARBONIO AMORFO

Si ricava come prodotto artificiale dalla carbonizzazione di alcuni composti organici come la legna o lo zucchero.

Si può trovare anche come deposito naturale sotto diverse forme chiamate Carboni fossili.

Essi differiscono tra loro per epoca di formazione, per il diverso contenuto di carbonio e per il loro potere calorifico.

In ordine crescente in percentuale di carbonio abbiamo: TORBA, LIGNITE, LITANTRACE e ANTRACITE.

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ISOTOPI DEL CARBONIO

Il carbonio è molto importante nel settore scientifico, infatti

il suo isotopo più comune, il carbonio 12, è stato scelto

come standard per i pesi atomici ( massa atomica

relativa).

Gli isotopi 13 e 14, ma soprattutto il 14, noto anche come

radiocarbonio, sono prodotti continuamente nell’atmosfera

a causa delle radiazioni cosmiche che modificano l’azoto

atmosferico.

Essi, inoltre, sono incorporati in tutti i viventi e nella crosta

terrestre e consentono di definire l’età dei fossili e di altri materiali organici (metodo della datazione mediante il

radiocarbonio).

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COMPOSTI OSSIGENATI DEL

CARBONIO Sono: CO e CO2

L’ossido di carbonio CO è un gas incolore, inodore estremamente tossico in quanto, quando si trova in eccesso nell’ambiente, si lega all’emoglobina del sangue al posto dell’ossigeno bloccando la respirazione. E’ un gas altamente inquinante e proviene dai gas di scarico dei veicoli a motore. Annualmente ne vengono immessi nell’atmosfera circa 350 milioni di tonnellate.

Si ottiene dalla combustione, in difetto d’aria, di sostanze contenenti carbonio:

C + H2O CO + H2

12

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ANIDRIDE CARBONICA

E’ il prodotto principale della combustione, in eccesso di

ossigeno, di tutti i prodotti contenenti carbonio.

E’ un gas incolore, di odore pungente, più pesante dell’aria, solubile in acqua ove è presente in parte come acido

carbonico.

Preparazione: CaCO3 + HCl CaCl2 + H2O +CO2

Viene commercializzata allo stato liquido compressa nelle

bombole, è utilizzata come refrigerante, come additivo nelle

bevande gassate ed è usata negli estintori.

Allo stato solido viene commercializzata col nome di ghiaccio

secco che a -79°C passa allo stato gassoso senza fondere.

13

CARBONIO TOTALE SUL PIANETA TERRA

La quantità totale di carbonio presente sulla Terra, in forma

organica e inorganica, è pari a circa

50 x 1012 t (50.000 miliardi di tonnellate), così ripartiti

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Ciclo

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71% 22% 1% 3% 3%

Oceani e

sedimenti

come

carbonati e

bicarbonati

Torba e

materiali

fossili:

carbone,

petrolio,

metano

Biomassa

totale degli

ecosistemi

terrestri

Fitoplancton e

materia

organica degli

oceani

Atmosfera

FORME DEL CARBONIO

Il carbonio è un importante elemento chimico presente, in varie forme, in tutti gli organismi viventi:

nell’atmosfera (anidride carbonica -CO2),

negli oceani (CO2),

nelle rocce (carbonati),

nei combustibili fossili (carbone, petrolio, metano),

e in molte sostanze artificiali prodotte dall’uomo come le materie plastiche.

Nel ciclo del carbonio, il carbonio passa dall’atmosfera alle piante, agli animali e poi ritorna nell’atmosfera.

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CICLO TRA ATMOSFERA ED OCEANI

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Respirazione

37•109 t CO2

Fotosintesi

129•109 t CO2

Piant

e Mineralizzazione

92•109 t CO2

C

O 1-1,5% CH4

Microrganismi

Aerobi Anaerobi

Scambio 0,1%

Fitoplancton

Respirazione 146•109 t CO2 Fotosintesi

Minerali

Oceani

130000•109 t CO2

Combustibili fossili

10000•109 t CO2

Sedimenti 10-2500000•109 t CO2

Combustione

18•109 t CO2

Atmosfera

2600•109 t CO2

Il ciclo si fonda in gran

parte sullo scambio di

CO2 tra i due principali

serbatoi: l’atmosfera e

gli oceani.

REAZIONI A BASE DI CARBONIO

Il “ciclo del carbonio” riguarda tutte le trasformazioni chimiche del carbonio a livello ambientale.

Esse sono strettamente correlate fra loro a costituire appunto un ciclo in cui i prodotti di una reazione fanno da reagenti per la reazione successiva.

Queste reazioni sono governate da delicati equilibri che possono subire interferenze da parte dell’attività umana ed alcune di queste si rivelano particolarmente dannose per lo stesso ambiente terrestre.

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SCHEMA CONCETTUALE DEL CICLO

Il carbonio passa dall’atmosfera alle piante, da queste

agli animali e poi ai decompositori, che lo rimettono in

ciclo.

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Atmosfera

Fotosintesi

Piante

Animali

Respirazione Decomposizione

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CICLO DEL CARBONIO NELLA BIOSFERA

Il carbonio è l’elemento centrale nella struttura della

materia vivente, ma è la CO2 il composto chiave

coinvolto nel ciclo.

Esso viene

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restituito all’ambiente utilizzato

Produttori Consumatori Decompositori

CO2 CO2 CO2

prelevato

ATTIVITÀ UMANE E CICLO DEL CARBONIO

Due importanti processi derivanti dall’attività umana incidono sul ciclo del carbonio e sono:

la combustione di carburanti fossili

la variazione dell’utilizzo del territorio.

Carbone fossile, gas naturale, petrolio e suoi derivati sono bruciati dalle industrie, dalle automobili e dalle centrali energetiche con produzione di CO2.

La variazione dell’utilizzo del territorio è un termine generico che indica un gran numero di attività umane.

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ATTIVITÀ UMANE E CO2 NELL’ATMOSFERA

La concentrazione di CO2 nell’atmosfera è

notevolmente cresciuta dopo la rivoluzione

industriale: da circa 260 ad oltre 350 ppm.

Le cause di questo incremento sono:

Incremento nel consumo di combustibili

fossili

Abbattimento delle foreste

Emissioni di sostanze inquinanti

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PRODUZIONE E CONSUMO DI CO2

I produttori assimilano la CO2, e la forniscono

a consumatori e decompositori.

I consumatori lo prelevano dalle sostanze

organiche provenienti da vegetali o da altri

animali per produrre, tramite la respirazione,

l'energia che necessita loro per vivere.

I microrganismi decompositori sono importanti

come i produttori primari, perché rimettono

la CO2 nell'atmosfera.

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IL CICLO NEI COMPARTIMENTI ECOLOGICI 11

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PROCESSI BIOLOGICI DEL CICLO

I processi biologici ed ecologici che determinano la circolazione del carbonio sono:

La fotosintesi;

Il trasferimento, sotto forma di cibo, di parte del carbonio fissato dalle piante ai consumatori primari e da questi ai consumatori dei successivi livelli trofici;

La respirazione delle piante e degli animali;

La decomposizione di materia organica morta.

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PRODUTTORI E CO2

Le piante verdi assorbono anidride carbonica dall’atmosfera.

Grazie alla luce solare le piante combinano il carbonio con l’acqua assorbita dal terreno e producono sostanze organiche (come i carboidrati) utilizzate per vivere e crescere.

In questo modo il carbonio è passato dall’atmosfera agli organismi vegetali (utilizzazione dell’anidride carbonica) che sono produttori o AUTOTROFI.

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IL CICLO: PIANTE ED ANIMALI

CONSUMATORI E CO2

Se i vegetali sono mangiati da animali erbivori,

i carboidrati contenuti nei vegetali sono

utilizzati dagli animali per fabbricare le

sostanze (come le proteine) necessarie per

vivere e crescere (consumatori di I livello).

A successivi livelli vi sono i carnivori,

consumatori di livello II, III etc. detti anche

ETEROTROFI.

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POSSIBILI DESTINI DEL CARBONIO

Il carbonio immagazzinato dai vegetali e dagli animali si trasforma nuovamente in anidride carbonica in vari modi:

1. in parte torna subito all’atmosfera con la respirazione degli animali e delle piante;

2. In parte con la decomposizione aerobica sul suolo;

3. In parte con la decomposizione in assenza di aria, che produce combustibili fossili (che una volta bruciati liberano anidride carbonica).

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IL CICLO IN SINTESI 11

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EFFETTO SERRA NATURALE

l’anidride carbonica presente nell’atmosfera è

causa dell’effetto serra naturale.

esso si produce quando parte del calore che

la terra riceve dal sole viene intrappolata

nell’atmosfera e mantiene una temperatura

ideale per lo sviluppo della vita.

Senza effetto serra naturale , invece di

essere a circa +14°C, (media mondiale),

saremmo a -19°C (!!!).

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SCHEMA DELL’EFFETTO SERRA

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COME SI PRODUCE L’EFFETTO SERRA?

La radiazione in entrata dal sole è nelle

frequenze del visibile e scalda la terra ed il

mare, ma non l’atmosfera.

La radiazione in uscita, riflessa da terra e

mare, è nell’infrarosso.

Questa radiazione infrarossa, emessa dalla

superficie, non sfugge direttamente nello

spazio, ma è assorbita nell’atmosfera dal

vapore acqueo e da alcuni gas, chiamati per

questo “gas serra”.

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I GAS SERRA

Elenco dei gas serra presenti nell’atmosfera:

Vapore acqueo

CO2

O3 ozono

Metano

Ossido di Azoto

Polveri sottili (aerosol)

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VARIAZIONE DI CO2 ATMOSFERICA

Dati delle misurazioni periodiche al sito del vulcano Mauna Loa, Hawaii. 11/0

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EFFETTO SERRA INDOTTO DALL’UOMO

L’accumulo di anidride carbonica nell’atmosfera, causata in questi anni dalla combustione dei combustibili fossili e dalla distruzione delle foreste, potrebbe, quindi, provocare l’aumento della quantità di radiazione solare intrappolata nell’atmosfera.

Si modificherebbe il clima, e, quindi, l’aumento della temperatura media della terra potrebbe, in teoria, provocare anche lo scioglimento parziale dei ghiacciai polari.

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EMISSIONI DI CO2 PER ABITANTE/ANNO

Tra i 10 più grandi produttori c’è l’Italia… 11/0

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ALTRI GAS SERRA (PEGGIORI DELLA CO2)

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GasAtmospheric Lifetime 20-yearGWP 100-yearGWP 500-yearGWP

Carbon dioxide (CO2) 50-200 1 1 1

Methane (CH4)b 12±3 56 21 7

Nitrous oxide (N2O) 120 280 310 170

HFC-23 264 9.100 11.700 9.800

HFC-125 33 4.600 2.800 920

HFC-134a 15 3.400 1.300 420

HFC-143a 48 5.000 3.800 1.400

HFC-152a 2 460 140 42

HFC-227ea 37 4.300 2.900 950

HFC-236fa 209 5.100 6.300 4.700

HFC-4310mee 17 3.000 1.300 400

CF4 50.000 4.400 6.500 10.000

C2F6 10.000 6.200 9.200 14.000

C4F10 2.600 4.800 7.000 10.100

C6F14 3.200 5.000 7.400 10.700

SF6 3.200 16.300 23.900 34.900

MA È COSÌ?

Nel breve periodo (50-100 anni o poco più) è

certa la tendenza all’aumento.

Ma nel lungo periodo questa tendenza è la

stessa?

O non vi sono, magari, dei cicli lunghi, di

migliaia di anni, nei quali la concentrazione

di CO2 è variata aumentando e diminuendo

anche in assenza di attività antropiche

producenti CO2?

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STUDIO SUI GHIACCI

PERENNI DI VOSTOK

Prelevando il ghiaccio dal Vostok ice core,

nell’Antartico, è stato possibile misurare il

contenuto di CO2 intrappolata nel ghiaccio e

la temperatura atmosferica media del

periodo.

La ricerca è stata fatta “scavando”,

letteralmente, fino a 420.000 anni or sono

(circa).

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MISURAZIONE DI CO2 SU TEMPI LUNGHI

E’ emerso che negli

ultimi 420.000 anni vi

sono stati almeno 3

cicli completi in cui la

CO2 è salita

rapidamente da 180

fino a 300 ppm per poi

calare gradualmente

nei millenni successivi.

Oggi saremmo all’inizio

del quarto ciclo.

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STUDIO EPICA

Lo studio EPICA (European

Project for Ice Coring in

Antarctica) è una collaborazione

europea (include anche l’Italia),

che sta operando per eseguire

trivellazioni nel ghiaccio

dell’Antartide e giungere fino a

900.000 anni or sono.

I dati dei gas serra che vengono

indagati riguardano anche il

metano.

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STUDIO EPICA: RISULTATI

I dati sono sovrapponibili; allo stato si individuano

almeno 6 cicli di variazione dei gas indagati.

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SCIOGLIMENTO

DEI GHIACCI

Il riscaldamento

globale porta allo

scioglimento dei

ghiacci.

Ma lo scioglimento dei

ghiacci avviene

anche da prima che

l’uomo iniziasse a

bruciare petrolio e

abbattere alberi!

(Canada, dati degli

ultimi 21.000 anni)

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IN OGNI CASO…

… è meglio ricordare che:

Carbone, gas naturale e petrolio COMUNQUE

finiranno se non smettiamo di consumarli in modo

dissennato;

L’effetto serra è dovuto anche ad altre cause

umane, e su queste SI DEVE agire;

In ogni caso la tecnologia e lo sviluppo possono

permettere di rispettare l’ambiente, e questo VA

FATTO per un dovere assoluto;

E comunque le nostre conoscenze sono troppo

limitate, per cui è meglio essere prudenti…

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