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 С_орг и 38 600 млрд т карбонатного С_к углерода. Следует подчеркнуть, что те и другие биогенны.

Основная масса С представлена рассеянным органичес­ким веществом. Концентрированные скопления С_орг 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 С_к 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 С_орг, в океанских организмах-консументах связано 2,3-10⁹ т С_орг. 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 С_к. Карбонатообразование и фотосинтез — это два генеральных процесса в глобальной деятельности живого вещества на протяжении последних 3 млрд лет. Соотношение С и С_орг 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 С_к: 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