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L’ANIDRIDE CARBONICA, LA DEGRADAZIONE CHIMICA E IL GEOSTISTEMA CLIMA
La variabilità della concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera determina
una variabilità della velocità ella degradazione. Se la concentrazione di anidride
carbonica nell’atmosfera aumenta, aumenta anche la quantità di questo gas nel suolo;
e ciò accelera i processi di degradazione chimica. Inoltre, l’anidride carbonica, essendo
un gas serra, favorisce il riscaldamento dell’atmosfera e quindi promuove la
degradazione. Ma d’altra parte, la degradazione chimica converte l’anidride carbonica
in ioni bicarbonato, e quindi fa diminuire la quantità di anidride carbonica
nell’atmosfera. Questa diminuzione di CO può portare, nel tempo, verso condizioni di
2
clima più freddo. In questo modo l’alterazione della superfice terrestre di un granulo di
feldspato è connessa alle cause delle variazioni climatiche globali. Un raffreddamento
dell’atmosfera, però, comporta una minore intensità di degradazione; e ciò conduce un
nuovo accumulo di CO nell’atmosfera e a un conseguente riscaldamento,
2
completando così il ciclo.
IL RUOLO DELL’ANIDRIDE CARBONICA
La reazione di un feldspato in acqua pura in laboratorio è un processo lentissimo. In
tali condizioni sarebbero necessarie migliaia di anni per alterare una piccola quantità
di feldspato: questa reazione non è quindi in grado di spiegare la degradazione
chimica, ben più rapida, che si osserva ampiamente in natura. Volendo accelerare la
reazione in laboratorio, si potrebbe usare un acido forte, come l’acido cloridrico,
capace di sciogliere il feldspato in alcuni giorni. Poiché gli ioni idrogeno hanno una
forte tendenza a combinarsi chimicamente con altre sostanze, gli acidi sono eccellenti
solventi. Sulla superfice terrestre, l’acido naturale più comune – e responsabile
dell’incremento di velocità della degradazione chimica – è l’acido carbonatico (H CO ),
2 3
un acido debole che si forma per dissoluzione nell’acqua piovana di una piccola
quantità di anidride carbonica (CO ) gassosa proveniente dall’atmosfera:
2
Anidride carbonica + Acqua = Acido Carbonico
CO H O H CO
2 2 2 3
Soluzioni di anidride carbonica in acqua sono familiari a tutti, basti pensare alle
bevande gasate. Quando si apre la bottiglia, la pressione diminuisce, il gas disciolto
esce dalla soluzione sotto forma di bollicine e la bevanda diventa meno acidula.
Quando la quantità di anidride carbonica nella bevanda eguaglia la quantità contenuta
nell’atmosfera, il gas non si libera più e la bevanda risulta debolmente acida e non più
effervescente, come l’acqua di pioggia. La quantità di anidride carbonica disciolta
nell’acqua piovana è piccola, essendo piccola la quantità di questo gas presente
nell’atmosfera. Circa lo 0,03& delle molecole presenti nell’atmosfera è costituita da
molecole di anidride carbonica; questa percentuale può apparire estremamente
piccola, ma fa sì che la CO sia il quarto gas atmosferico in ordine di abbondanza
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decrescente. La quantità di acido carbonico che si forma nell’acqua piovana è molto
piccola, essendo soltanto di circa 0,0006 g/L. al crescere della quantità di anidride
carbonica immessa nell’atmosfera dalla combustione di petrolio, gas naturale e
carbone fossile, cresce lievemente la quantità di acido carbonico presente nella
pioggia. La maggior parte dell’acidità delle cosiddette “piogge acide” è però dovuta ai
composti aeriformi dello zolfo e dall’azoto, che reagiscono con l’acqua per formare,
rispettivamente, l’acido solforico e l’acido nitrico, due acidi forti. Questi acidi
favoriscono l’alterazione chimica assai più dell’acido carbonico. Sebbene l’acqua di
pioggia contenga in soluzione una quantità relativamente piccola di anidride
carbonica, tale quantità è sufficiente per alterare i feldspati e disciogliere grandi
quantità di roccia in un lungo intervallo di tempo. È ora possibile scrivere la reazione
chimica che costituisce l’alterazione dei feldspati:
Feldspato + Acido Carbonico + Acqua = Caolinite D + Silice D + Ioni di Potassio D +
Ioni di Bicarbonato D +
KAlSi O 2H CO H O ALSi O (OH) 4SiO 2K
3 8 2 3 2 2 5 4 2
-
2HCO 3
D = Disciolto/i
Questa semplice reazione illustre i tre principali effetti prodotti sui silicati dalla
degradazione chimica. Essa provoca la dissoluzione dei cationi e della silice, produce
l’idratazione dei minerali e inoltre rende le soluzioni meno acide. Più specificatamente,
l’acido carbonico presente nell’acqua di pioggia favorisce la degradazione dei feldspati
nei seguenti modi:
• Una piccola quantità di molecole di acido carbonico si ionizza, formando ioni
+ 3-
idrogeno (H ) e ioni bicarbonato (HCO ). E ciò rende le gocce d’acqua
debolmente acide.
• L’acqua debolmente acida attacca i feldspati e fa passare in soluzione gli ioni
potassio e la silice, lasciando come residuo la caolinite, un’argilla solida. Gli ioni
idrogeno si combinano con gli atomi di ossigeno dei feldspati per formare
l’acqua che resta imprigionata nella struttura cristallina della caolinite. La
caolinite entra a far parte del suolo o viene asportata.
• Con il procedere della reazione la soluzione diventa meno acida.
• La silice disciolta, gli ioni potassio e gli ioni bicarbonato vengono portati via
dalle acque di pioggia che dilavano il terreno e dai corsi d’acqua e, alla fine,
giungono al mare.
IN NATURA: I FELDISPATI NEGLI AFFIORAMENTI ROCCIOSI E NEL SUOLO UMIDO
Ora che si conosce la reazione chimica con cui l’acqua piovana degrada i feldispati è
più semplice comprendere perché i feldispati di un affioramento roccioso si
conservano meglio di quelli sepolti da un suolo umido. I feldispati di una roccia nuda si
degradano soltanto mentre essa è inumidita dall’acqua piovana; durante tutti i periodi
aridi, l’unica umidità che si può trovare sulla roccia nuda è rappresentata dalla
rugiada. Nel suolo umido, invece, i feldispati sono continuamente a contatto con
piccole quantità d’acqua contenuta nei pori, ossia negli interstizi fra i granuli del suolo,
e perciò si degradano continuamente. La quantità di acido presente nell’acqua dei pori
del suolo è maggiore di quella presente nell’acqua piovana; infatti, quando l’acqua di
pioggia si infiltra nel suolo, essa porta con sé non soltanto l’acido carbonico che
conteneva inizialmente, ma anche l’acido carbonico addizionale e altri acidi, prodotti
dalle radici delle piante, dai numerosi insetti e da altri animali che vivono nel suolo,
oltre che dai batteri che decompongono i resti delle piante e degli animali. Questi acidi
organici, quindi, attaccano chimicamente i feldispati e altri minerali presenti nelle
rocce in profondità. Il processo respiratorio di questi batteri può far aumentare la
quantità di anidride carbonica presente nel suolo, fino a raggiungere un valore che è
cento volte superiore a quello atmosferico.
Le rocce subiscono la degradazione chimica più rapidamente nei climi tropicali che nei
climi temperati e nei climi freddi, poiché la velocità di degradazione cresce al crescere
della temperatura. Il principale motivo sta nel fatto che nei climi caldi e umidi le piante
e i batteri si sviluppano e proliferano rapidamente, fornendo acidi che favoriscono
l’alterazione e la dissoluzione. Inoltre, la maggior parte delle reazioni chimiche
acquista rapidità con l’aumentare della temperatura.
La rapida degradazione dei cerbonati
Anche l’olivina, il silicato che si altera più rapidamente, si discioglie in modo
relativamente lento rispetto altri minerali costituenti le rocce. I calcari, costituiti dai
minerali calcite (carbonato di calcio) e dolomite (carbonato di calcio e magnesio), sono
tra le rocce che si degradano più rapidamente nelle regioni umide. I vecchi edifici di
pietra calcarea presentano gli effetti della dissoluzione per opera dell’acqua di pioggia.
Le acque sotterranee disciolgono grandi quantità di minerali carbonatici,
determinando la formazione di grotte nelle formazioni calcaree. Data la velocità di
dissoluzione dei calcari durante la stagione della crescita vegetativa, gli agricoltori e i
giardinieri aggiungono calcare ai suoli per bilanciare l’acidità. Quando i calcari si
disciolgono non si formano minerali delle argille; essi infatti si dissolvono
completamente e i loro costituenti vengono asportati in soluzione acquosa. L’acido
carbonico promuove la dissoluzione dei calcari, oltre che l’alterazione dei silicati. La
reazione globale con cui la calcite, il principale minerale dei calcari, si scioglie
nell’acqua piovana, o in altra acqua contenente anidride carbonica, è la seguente:
Calcite + Acido Carbonico = Ione Calcio + Ione Bicarbonato
2+ 3-
CaCO H CO Ca 2HCO
3 2 3
Questa reazione procede soltanto in presenza di acqua, che contiene l’acido carbonico
e gli ioni disciolti. Quando la calcite si discioglie, gli ioni calcio e bicarbonato vengono
asportati in soluzione. Quando si discioglie la dolomite (CaMg[CO ] ), una altro
3 2
abbondante carbonato, vengono prodotte quantità uguali di ioni calcio e di ioni
magnesio.
Stabilità chimica: un controllo della velocità di alterazione
Sulla superfice terrestre le rocce silicatiche sono molto più abbondanti di quelle
calcaree. Tuttavia, poiché i carbonati si disciolgono più rapidamente e in maggiori
quantità rispetto ai silicati, la degradazione chimica dei calcari incide sulla
degradazione chimica annuale totale delle terre emerse più di qualsiasi altra roccia. La
diversa velocità di alterazione e di dissoluzione dei minerali dipende dalla loro diversa
stabilità chimica, in presenza di acqua e a determinate temperature. La stabilità
chimica è una misura della capacità di una sostanza chimica a rimanere in una data
forma chimica invece di reagire spontaneamente per assumere una differente forma
chimica; e la stabilità o la instabilità chimica di una sostanza dipende da un insieme di
condizioni ambientali. I feldispati, per esempio, sono stabili alle condizioni che
contraddistinguono la crosta profonda, ma sono instabili alle condizioni esistenti sulla
superfice terrestre. Le caratteristiche di un minerale che consentono di determinare la
stabilità chimica sono due: la solubilit&agrav