In questo appunto discutiamo il fenomeno dell’acidificazione degli oceani mostrando un semplice esperimento in cui si osserva la dissoluzione di una conchiglia in aceto. Questo ci fornirà un’idea dell’impatto delle emissioni di anidride carbonica sulla salute dei nostri oceani. L’appunto sarà così strutturato nei seguenti paragrafi:

Conchiglie: di che materiale si tratta?

Prima di vedere come eseguire l’esperimento di dissoluzione di una conchiglia in aceto, spendiamo qualche parola sul materiale che costituisce le conchiglie. Gli esseri viventi caratterizzati da un corpo molle e privo di scheletro tendono a costruire attorno al proprio corpo delle strutture inorganiche estremamente rigide che consentano la difesa della propria incolumità.

Tali strutture sono caratterizzati per lo più da carbonato di calcio CaCO3 e da alcune tracce di fosfato di calcio Ca3(PO4)2. Qui ci concentreremo sul carbonato di calcio in quanto maggior costituente del materiale di tali strutture. Sappiamo che i molluschi costruiscono tali strutture di difesa acquisendo gli elementi costitutivi dall’ambiente circostante e quindi direttamente dall’oceano. Non è nota l’esatta dinamica con la quale tale gusci siano creati dato, come tra poco vedremo, la complessità del materiale. Possiamo però dire che questi esseri sono in generale provvisti di una regione del proprio corpo chiamata mantello capace di secernere un fluido contenente gli elementi costituenti del guscio (Calcio Ca++ e carbonato CO3).

L’animale costituisce un primo strato di conchiolina, costituita da alcune proteine e da chitina. Tali proteine insieme ad altre macromolecole costituiscono una matrice ideale per la nucleazione di piccoli cristalli di carbonato di calcio. Tali nuclei sono presenti anche nella forma meno stabile di aragonite.

Aragonite vs Calcite

Senza entrare troppo nei dettagli cristallografici, possiamo dire che il carbonato di calcio può presentarsi secondo diversi polimorfi, ovvero materiali caratterizzati dalla stessa composizione chimica ma da una diversa organizzazione degli atomi costituenti nello spazio. Nel caso del carbonato di calcio, il polimorfo più stabile è la calcite mentre l’aragonite è un polimorfo stabile solo in particolari condizioni di pressioni e temperature. Nelle normali condizioni sulla superficie terrestre l’aragonite non è stabile e tende a transire nella forma calcite. Non è quindi noto come questi animali riescano e formare del carbonato di calcio in forma di aragonite.

acidificazione degli oceani: calcite aragonite
Aragonite e calcite in una conchiglia

Se prendiamo in considerazione una comunissima conchiglia, di quelle che facilmente si trovano sulle spiagge, il carbonato di calcio normalmente è presente con entrambi i polimorfi all’interno della struttura della conchiglia. In particolare, il mollusco deposita carbonato di calcio in forma di aragonite quando aumenta lo spessore della struttura verso l’interno, mentre deposita carbonato di calcio in forma di calcite quando deve sviluppare la struttura in lunghezza verso l’esterno:

acidificazione degli oceani: crescita conchiglia

Chiudiamo con una curiosità sul materiale costituente la struttura di una conchiglia e che ne spiega la resistenza rispetto ad altre forme di carbonato di calcio. Gli scienziati pensano che all’interno delle conchiglie, il carbonato di calcio sia intrappolato all’interno di strutture proteiche. Tali proteine sono schiacciate dal carbonato stesso proprio come delle molle compresse. In questo modo le proteine creano a loro volta una forza di compressione che rafforza il materiale. Inoltre, la presenza di due fasi diverse di carbonato di calcio fa si che al verificarsi di uno stress capace di rompere in una direzione cristallografica uno dei due polimorfi, l’altro si opponga con la sua struttura. Per capire come tali proteine rimangono intrappolate nel calcio ti rimandiamo al seguente articolo:

Communications today. Cho, K. R. et al. Direct observation of mineral-organic composite formation reveals occlusion mechanism. Nat. Commun. 7:10187 doi: 10.1038/ncomms10187 (2016).

Esperimento dissoluzione di una conchiglia in aceto

Vediamo in questo paragrafo di spiegare l’impatto dell’acidificazione degli oceani attraverso un semplice esperimento. Esso consiste semplicemente nell’immergere una conchiglia in aceto utilizzando un contenitore trasparente per le osservazioni. Appena la conchiglia è immersa in aceto la reazione incomincia molto velocemente. Il carbonato di calcio entra in contatto con acido acetico CH3COOH (normalmente presente in aceto con una concentrazione intorno al 5%) per dare la seguente reazione:

CaCO_{3} + 2CH_{3}COOH \mapsto Ca^{++} + 2CH_{3}COO^{-} + CO_{2} + H_{2}O

Il carbonato di calcio, in seguito all’interazione con l’acido acetico si dissolve nello ione calcio e nello ione acetato con sviluppo di una molecola di acqua ed una di anidride carbonica(CO2). La reazione è lenta, ma è possibile sin da subito osservare la formazione dell’anidride carbonica mediante la formazione di bollicine in acqua.

Vediamo adesso come si sviluppa temporalmente la reazione:

acidificazione degli oceani: conchiglia disciolta in aceto

 

Implicazioni dell’aumento di anidride carbonica in atmosfera e acidificazione degli oceani

Abbiamo visto nel paragrafo precedente che una conchiglia immersa in aceto si dissolve dopo qualche ora. Ma quale conclusione si vuole trarre con questo esperimento di dissoluzione di una conchiglia? Esso serve per introdurre un fenomeno noto come acidificazione degli oceani e sulla conseguente minaccia sugli esseri viventi. Ricordiamo che l’acidità è misurata in pH che è une funzione della concentrazione dello ione idronio. La minaccia principale risiede nell’aumento dell’anidride carbonica nella nostra atmosfera. Questa, oltre a contribuire all’effetto serra viene assorbita dagli oceani in misura tanto maggiore quanto è maggiore la sua presenza in atmosfera. L’anidride carbonica reagisce con l’acqua dando la seguente reazione:

CO_{2} + H_{2}O \mapsto HCO_{3}^{-} + H_{3}O^{+}

Dalla reazione dell’anidride carbonica con l’acqua si ottiene uno ione idrogeno carbonato ed uno ione idronio. Più CO2 entra in acqua e maggiore sarà la concentrazione di ione idronio che si formerà con la conseguente diminuzione del pH ed un aumento dell’acidità delle acque degli oceani.

Adesso, dobbiamo considerare che le conchiglie non si disciolgono in acqua di mare in quanto l’oceano è una soluzione piena di ioni Ca++ e CO3 per cui il processo di dissoluzione del carbonato di calcio per formare di tali ioni è sfavorito. Negli abissi, dove la concentrazione di tali ioni diminuisce, le conchiglie non sono stabili e tendono nel tempo a disciogliersi. La profondità massima alla quale le conchiglie possono vivere senza dissolversi viene detta profondità di dissolvenza. Dunque, l’aggiunta di anidride carbonica comporta l’aumento dello ione idronio. Questo reagisce con lo ione carbonato presente nell’oceano per dare:

CO_{3}^{--} + H_{3}O^{+} \mapsto HCO_{3}^{-} + H_{2}O

un’altra molecola di ione di idrogenocarbonato (derivato dall’acido carbonico che si forma come intermezzo di reazione). L’aumento del pH dunque comporta la diminuzione dello ione carbonato. Di conseguenza, la dissoluzione del carbonato di calcio non è più un processo sfavorito a discapito degli esseri viventi che ci vivono.

Acidificazione degli oceani

La diminuzione dello ione carbonato nelle acque, inoltre, renderà ancora più difficile la formazione di nuove conchiglie. Abbiamo visto che in aceto, che è una soluzione con pH pari a 3 la dissoluzione di una conchiglia avviene in poche ore. Nei nostri oceani il valore medio del pH è pari a 8,1. Poichè il pH è maggiore di 7 (valore di neutralità) potremmo concludere che le acque dell’oceano siano comunque molto lontane dai livelli di acidità pericolosi. Tuttavia si è dimostrato che negli ultimi secoli, dalla rivoluzione industriale ad oggi, il valore del pH è sceso da 8,2 a 8,1. Potrebbe risultare una minima variazione ma non è così. Nella scala logaritmica del pH tale variazione corrisponde ad un aumento dell’acidità del 30%. Si tratta di una variazione maggiore di qualsiasi altra variazione nella chimica dell’oceano negli ultimi 50 milioni di anni. Il valore attuale inoltre, continuerà a diminuire a causa del continuo incremento dell’anidride carbonica in atmosfera. Si stima che per la fine del secolo il pH possa raggiungere un valore dei 7,8-7,7 con un incremento dell’acidità del 120% (fonte in questo link).

La relazione tra anidride carbonica, ione carbonato e ione idrogeno carbonato è espressa dal diagramma di Bjerrum (fonte Wikipedia):

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Il diagramma mostra la relazione che c’è tra i rapporti di concentrazioni di anidride carbonica, ione carbonato e ione idrogeno carbonato. Osserviamo il diagramma nel range di pH dei nostri oceani (intorno a 8,1). Esso è indicato da una striscia verticale blu e ci concentriamo sugli effetti di una leggera riduzione del pH. Tale diminuzione del pH avviene in corrispondenza di una rilevante riduzione di ione carbonato, di un forte aumento di anidride carbonica e di un leggero aumento dello ione idrogeno carbonato.

Acidificazione degli oceani: conclusioni

Siamo partiti da un esperimento per giungere alla realtà dei fatti. L’aumento della CO2 negli oceani conseguente alle attività umane è la causa dell’acidificazione degli oceani. E’ inutile dire che questo fenomeno è un pericolo da non sottovalutare poiché aggredisce equilibri molto fragili all’interno dell’ecosistema e delle catene alimentari. Tra di essi il più noto è la dissoluzione delle barriere coralline per le quali è previsto un punto di non ritorno già alla fine di questo secolo. Per ulteriori approfondimenti sulle conseguenze dell’acidificazione degli oceani ti rimandiamo al seguente link:

https://www.green.it/acidificazione-degli-oceani-unallarmante-conseguenza-del-riscaldamento-globale/

 

Acidificazione degli oceani: dissoluzione di una conchiglia in aceto
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