O sistema carbonático da natureza, a química dinâmica envolvendo dióxido de carbono (CO2), carbonato (CO32-), bicarbonato (HCO3-), e ácido carbônico (H2CO3), é um componente vital da biosfera. Carbonato, bicarbonato, e o ácido carbônico surgem quando o dióxido de carbono atmosférico se dissolve nos oceanos, que é o maior sumidouro desse gás de efeito estufa. Os pesquisadores estão interessados ​​em compreender melhor o sistema de carbonato para ajudar a facilitar os esquemas de sequestro de carbono, especialmente com minerais de ligação de carbono, para ajudar a mitigar as mudanças climáticas. O sistema de carbonato também é fundamental para os sistemas de respiração biológica, outra razão pela qual os pesquisadores estão interessados ​​nesta química.

Recentemente, um grupo de químicos da Universidade da Califórnia, Berkeley se juntou a cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) e fez descobertas revolucionárias sobre o comportamento das espécies carbonáticas em superfícies de água salgada, como a do oceano. Eles relatam suas descobertas esta semana no Journal of Chemical Physics , da AIP Publishing.

De acordo com um dos autores do artigo, Richard Saykally, professor de química da UC Berkeley, uma forte motivação para esta pesquisa foi compreender os processos químicos envolvidos no sequestro de carbono. Eles descobriram que, embora o ácido carbônico neutro estivesse mais fortemente presente na superfície, como era esperado, o íon carbonato mais carregado era mais abundante do que o bicarbonato mais fraco.

"Queremos, de maneira geral, avançar nossa compreensão do ciclo global do carbono, "Saykally disse." Os aspectos deste ciclo que temos nos concentrado começam com o dióxido de carbono na atmosfera dissolvendo-se em água salgada, seguido por uma química muito interessante. "

O dióxido de carbono é capturado pela superfície da água e hidratado para formar ácido carbônico ou bicarbonato, que pode então se ionizar em bicarbonato ou carbonato, onde o carbonato pode reagir com íons de magnésio ou cálcio dissolvidos para formar calcário.

"Queremos saber todas as etapas que vão do dióxido de carbono gasoso na atmosfera ao calcário, "Saykally disse." Nosso objetivo é entender todos os detalhes em todas as etapas desse processo. "

O candidato ao doutorado em química da UC Berkeley, Royce Lam, um co-autor do artigo que liderou grande parte da pesquisa, queria desenvolver exames anteriores da estrutura de hidratação das espécies do sistema carbônico, com foco na abundância relativa de espécies de carbonato na superfície do líquido.

Colaborando com o Dr. Hendrik Bluhm do LBNL, Lam e os co-autores usaram a linha de luz de espectroscopia de fotoemissão de pressão ambiente (APPES) (11.0.2) no síncrotron Advanced Light Source no LBNL, para realizar medições de espectroscopia de fotoemissão de raios-X (XPS) - uma maneira de sondar a composição molecular de materiais usando um feixe intenso de raios-X de alta energia. O sistema XPS permitiu que eles investigassem diferentes aspectos do sistema carbonático que eles não podiam acessar antes.

"O que é especial sobre o XPS é que ele nos permite sondar em diferentes profundidades da superfície da água, "Lam disse." Esta é uma das poucas linhas de luz no mundo que pode fazer essa classe de experimentos em líquidos.

Para amostras, Soluções combinadas de Lam das espécies de carbonato e ácido clorídrico, que fortuitamente se assemelhava ao sistema oceânico. Com um dispositivo microjet líquido, os pesquisadores injetaram essas amostras em uma câmara de vácuo e as sondaram com múltiplas energias de raios-X para deduzir as abundâncias relativas das espécies de carbonato dos elétrons fotoemitidos.

Na superfície do líquido, tanto o carbonato quanto o ácido carbônico eram mais abundantes do que o biocarbonato. A surpresa mais significativa foi que o carbonato mais carregado era mais abundante na superfície do que o bicarbonato menos carregado, que entra em conflito com as expectativas dos modelos teóricos existentes.

Isso levanta uma questão importante sobre para onde o bicarbonato poderia estar se movendo no sistema, com a possibilidade de que o carbonato possa estar em "pareamento iônico" com sódio, mudando a química, e fazendo com que o bicarbonato se mova para profundidades menores.

"Ainda estamos trabalhando na teoria e esperamos que este artigo estimule uma discussão teórica adicional que pode realmente render insights definitivos sobre o que está acontecendo aqui, "Lam disse.

Lam espera que esta pesquisa também leve a pesquisas mais diretas sobre as possibilidades de sequestro de carbono.

"Então, a próxima etapa seria examinar mais detalhadamente o emparelhamento de íons, e essencialmente formação de calcário ou mineral, especificamente, olhando para a interação de íons de cálcio e magnésio com carbonato, "Lam disse sobre uma possibilidade de sequestro de carbono que ele discutiu.

Saykally sente que esta pesquisa se conecta com todo o sistema da química do carbonato aquoso, com aplicações que vão do sequestro de carbono à pesquisa biomédica.

"Para alcançar esses tipos de avanços, Eu acredito que você tem que saber todos os detalhes da química envolvida em todas as etapas do sistema de carbonato de água. "Saykally disse." É uma química muito intrincada com profundas implicações práticas. "