Pierwiastek C, czyli węgiel znajduje się w atmosferze, litosferze i w organizmach żywych w różnej formie i w zmiennej ilości. Pierwiastek ten stanowi jeden z ważniejszych elementów w organizmach żywych, pomimo że w skorupie ziemskiej jest go ok. 0,03% (Helmenstine, 2020). W atmosferze występuje głównie w formie dwutlenku węgla (CO2) i metanu (CH4).

Z tego artykułu dowiesz się:

  • Czym jest cykl węglowy;
  • Jakie reakcje chemiczne mają wpływ na obieg węgla w przyrodzie.

Cykl węglowy – czyli węgiel kołem się toczy

Obieg węgla w przyrodzie tworzy naturalny, szybki i powolny cykl węglowy (ang. carbon cycle). W skali czasowej można zatem rozpatrywać obieg węgla w skali dni i lat lub w skali geologicznej – milionów lat. Węgiel w szybkim cyklu doprowadza do wzrostu zawartości materii organicznej w glebach, powstawania torfowisk, które z biegiem milionów lat przekształcą się w węgiel brunatny, a potem kamienny. CO2 napędza rośliny do działania. Aby żyć, potrzebują go w procesie fotosyntezy. Dzięki fotosyntezie rośliny produkują niezbędny dla nas tlen.

Uproszczony schemat cyklu węglowego, przedstawiający obieg węgla w przyrodzie. Rys. M. Furca

Aby trochę lepiej zrozumieć ten proces wróćmy na chwilę do szkoły. Dwutlenek węgla z atmosfery napędza cykl węglowy w przyrodzie. Opada z deszczem, dając roztwór słabego kwasu węglowego. Rozpiszmy to.

H2O + CO2 -> H2CO3

Słaby kwas powoduje, że następuje wietrzenie (niszczenie) skał, czego efektem jest m. in. krasowienie skał węglanowych. Efektem reakcji wapieni z kwasem węglowym jest dobrze rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia, który w roztworze migruje po szczelinach w skałach.

CaCO3 + H2CO3 -> Ca(HCO3)2

Kwas węglowy reaguje również ze skałami zawierającymi w swoim składzie krzemionkę (SiO2). Proces ten przedstawiany jest uproszczoną reakcją, gdzie minerałem wzorcowym jest krzemian wapnia – wollastonit. Znana jest jako reakcja Ureya (3) i prowadzi do rozpuszczania i uwalniania krzemionki (Kasting i in., 1988; Berner i Maasch, 1996; Falkowski i in., 2000; Popkiewicz i in., 2018).

CO2 + CaSiO3 → CaCO3 + SiO2

W wyniku krasowienia skał węglanowych węgiel trafia do mórz i oceanów. W morzach i oceanach organizmy żywe wykorzystują węgiel z rozpuszczonych skał wapiennych jako budulec skorupek. Gdy organizmy obumrą, ich skorupki zaczną budować kolejne skały węglanowe na dnie (Popkiewicz i in., 2018). Wspomniany już dobrze rozpuszczalny wodorowęglan wapnia (2) sączy się przez skały i dostaje do oceanów pod ciśnieniem hydrostatycznym, więc gdy znajdzie sposobność do rozprężenia, rozpada się on z powrotem na CaCO3 z wydzieleniem wody i dwutlenku węgla, tworząc reakcję (4) odwrotną do już wspomnianej (2).

(4) Ca (HCO3)2 -> CaCO3 + H2O + CO2↑

Wapienna kokosfera kokolitofora. Fot, Richard Lampitt, Jeremy Young, The Natural History Museum, London, CC BY 2.5, via Wikimedia Commons

Na Ziemi występuje wiele dynamicznych zjawisk. W strefach aktywnych wulkanicznie dochodzi do erupcji, z których dwutlenek węgla wydostaje się z powrotem do atmosfery. Wszystkie te procesy są częścią cyklu węglowego, który jest niezmiernie ważny dla życia na Ziemi.

Strony internetowe:

https://www.thoughtco.com/chemical-composition-of-earths-crust-elements-607576

Literatura:

  1. Berner R. A., Maasch K. A., Chemical weathering and controls on atmospheric O2 and CO2: Fundamental principles were enunciated by J. J. Elbelmen in 1845, Geochemica et Cosmochemica Acta, Vol 60, No 9, pp. 1633 – 1637, 1996.
  2. Falkowski P., Scholes R. J., Boyle E., Canadell J., Canfield D., Elser J., Gruber N., Hibbard K., Högberg P., Linder S., Mackenzie F. T., Moore III B., Pedersen T., Rosenthal Y., Seitzinger S., Smetacek V., Steffen W., The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System, Science Compass Reviev, vol 290, 2000.
  3. Kasting J. F., Toon O. B., Pollack J. B., How Climate Evolved on the Terrestrial Planets. Planets with temperate, earthhlike climates were once thought to be rare in our galaxy. Mathematical models now suggest that if planets do exist outside the solar system, many of tchem might be habitable, Scientific, American, INC, 1988.
  4. Popkiewicz M., Kardaś A., Malinowski S., Nauka o klimacie. Mechanizmy działania systemu klimatycznego. Zmiany klimatu w przeszłości i obecnie, Wydawnictwo Sonia Draga, Wydawnictwo Nieoczywiste, Katowice, 2018.

    Po przeczytaniu tego tekstu wiesz, że:

    • Węgiel jest ważnym pierwiastkiem obecnym w atmosferze, skałach i organizmach żywych, a jego obieg w przyrodzie nazywa się cyklem węglowym;
    • Dwutlenek węgla jest wykorzystywany przez rośliny w fotosyntezie, a także uczestniczy w procesach wietrzenia skał i powstawania nowych skał węglanowych;
    • Węgiel nieustannie krąży między atmosferą, wodami, skałami i organizmami żywymi, a część tego węgla wraca do atmosfery m.in. podczas erupcji wulkanicznych.

    Opracowano na podstawie treści serwisu internetowego „Zrozumieć Ziemię” (red. G. Pieńkowski, S. Cwojdziński, A. Fijałkowska-Mader, M. Krzeczyńska, T. Krzywicki, J. Malec, J. Pacuła, K. Pochocka-Szwarc, J. Rychel, S. Salwa, Z. Szczepanik, P. Szrek, A. Wierzbowski, P. Woźniak, Z. Złonkiewicz). Aktualizacja i adaptacja w ramach zadania psg pn. „Ochrona georóżnorodności, geoedukacja i geoturystyka”, finansowanego ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej: P. Bubel, 2025.