Sistema de carbonato de la naturaleza, la química dinámica que involucra al dióxido de carbono (CO2), carbonato (CO32-), bicarbonato (HCO3-), y ácido carbónico (H2CO3), es un componente vital de la biosfera. Carbonato, bicarbonato, y el ácido carbónico emergen cuando el dióxido de carbono atmosférico se disuelve en los océanos, que es el sumidero más grande de este gas de efecto invernadero. Los investigadores están interesados ​​en comprender mejor el sistema de carbonatos para ayudar potencialmente a facilitar los esquemas de secuestro de carbono, especialmente con minerales de enlace de carbono, para ayudar a mitigar el cambio climático. El sistema de carbonatos también es fundamental para los sistemas de respiración biológica, otra razón por la que los investigadores están interesados ​​en esta química.

Recientemente, un grupo de químicos de la Universidad de California, Berkeley se asoció con científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) y realizó descubrimientos importantes sobre el comportamiento de las especies de carbonatos en superficies de agua salada. como el del océano. Informan sus hallazgos esta semana en The Revista de física química , de AIP Publishing.

Según uno de los autores del artículo, El profesor de química de UC Berkeley, Richard Saykally, Una gran motivación para esta investigación fue comprender los procesos químicos involucrados en el secuestro de carbono. Descubrieron que, si bien el ácido carbónico neutro estaba más presente en la superficie, como se esperaba, el ion carbonato más cargado era más abundante que el bicarbonato más débil.

"Queremos mejorar en general nuestra comprensión del ciclo global del carbono, "Dijo Saykally." Los aspectos de este ciclo en los que nos hemos estado enfocando comienzan con el dióxido de carbono en la atmósfera disolviéndose en agua salada, seguido de una química muy interesante ".

El dióxido de carbono es capturado por la superficie del agua y se hidrata para formar ácido carbónico o bicarbonato. que luego puede ionizarse en bicarbonato o carbonato donde el carbonato puede reaccionar con iones de magnesio o calcio disueltos para formar piedra caliza.

"Queremos conocer todos esos pasos que van desde el dióxido de carbono gaseoso en la atmósfera hasta la piedra caliza, ", Dijo Saykally." Nuestro objetivo es comprender todos los detalles en todos los pasos de ese proceso ".

El candidato a doctorado en química de UC Berkeley Royce Lam, un coautor del artículo que dirigió gran parte de la investigación, Quería basarse en exámenes anteriores de la estructura de hidratación de las especies del sistema carbónico, centrándose en la abundancia relativa de especies de carbonatos en la superficie del líquido.

Colaborando con el Dr. Hendrik Bluhm de LBNL, Lam y sus coautores hicieron uso de la línea de luz de espectroscopía de fotoemisión de presión ambiental (APPES) (11.0.2) en el sincrotrón de fuente de luz avanzada en LBNL, para realizar mediciones de espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS), una forma de sondear la composición molecular de los materiales utilizando un haz intenso de rayos X de alta energía. El sistema XPS les permitió probar diferentes aspectos del sistema de carbonatos a los que antes no podían acceder.

"Lo que tiene de especial XPS es que nos permite sondear a diferentes profundidades en la superficie del agua, ", Dijo Lam." Esta es una de las pocas líneas de luz en el mundo que puede hacer esta clase de experimentos con líquidos ".

Para muestras, Lam soluciones combinadas de las especies de carbonato y ácido clorhídrico, que fortuitamente se parecía al sistema oceánico. Con un dispositivo de microjet líquido, los investigadores inyectaron estas muestras en una cámara de vacío y las probaron a múltiples energías de rayos X para deducir las abundancias relativas de las especies de carbonato a partir de los electrones fotoemitidos.

En la superficie del líquido, tanto el carbonato como el ácido carbónico eran más abundantes que el biocarbonato. La sorpresa más significativa fue que el carbonato más cargado era más abundante en la superficie que el bicarbonato menos cargado, que entra en conflicto con las expectativas de los modelos teóricos existentes.

Esto plantea una pregunta importante sobre dónde podría moverse el bicarbonato en el sistema, con la posibilidad de que el carbonato pueda estar "emparejado de iones" con el sodio, cambiando la química, y provocando que el bicarbonato se mueva a profundidades más bajas.

"Todavía estamos trabajando en la teoría y esperamos que este documento estimule más discusiones teóricas que puedan producir ideas definitivas sobre lo que está sucediendo aquí". "Dijo Lam.

Lam espera que esta investigación también conduzca a una investigación más directa sobre las posibilidades de secuestro de carbono.

"Entonces, el siguiente paso sería profundizar en el emparejamiento de iones, y esencialmente formación de piedra caliza o mineral, específicamente, observando la interacción de los iones de calcio y magnesio con el carbonato, "Lam dijo de una posibilidad de secuestro de carbono que discutió.

Saykally siente que esta investigación se conecta con todo el sistema de la química del carbonato acuoso, con aplicaciones que van desde el secuestro de carbono hasta la investigación biomédica.

"Para lograr este tipo de avances, Creo que hay que conocer todos los detalles de la química involucrada en todos esos pasos del sistema agua-carbonato ". Dijo Saykally." Es una química muy intrincada con profundas implicaciones prácticas ".