ΤΑ ΚΑΝΑΜΕ… ΘΑΛΑΣΣΑ!!

Βενετσάνου Σίλια¹, Βλασσοπούλου Μαρίτα², Κόλλια Στελίνα³, Λακαφώση Ελισάβετ⁴, Λεμπέση Κλεοπάτρα⁵

ΜαθήτριεςΓΕΛ Ελληνογαλλικής Σχολής Ουρσουλινών

Γαραντζιώτη Ιφιγένεια⁶, ΝτόλατζαςΠαναγιώτης⁷

Καθηγήτρια Χημείας M.Ed.⁶, Καθηγητής Χημείας M.Sc.⁷, Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών

garantzioti@e-ursulines.gr⁶, ntolatzas@e-ursulines.gr⁷

Περίληψη

Τα τελευταία χρόνια, η αυξανόμενη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στη γήινη ατμόσφαιρα, ως αποτέλεσμα ανθρώπινων δραστηριοτήτων (καύση ορυκτών καυσίμων, βιομηχανικές διεργασίες κ.ά.), έχει μεταβάλει σημαντικά την ατμόσφαιρα αλλά και τους ωκεανούς. Οι ωκεανοί απορροφούν μεγάλο μέρος των εκπομπών οδηγώντας στην αλλαγή της χημείας τους μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται οξίνιση των ωκεανών. Αυτό πραγματοποιείται όταν η περίσσεια CO₂ διαλύεται στο νερό για να σχηματίσει ανθρακικό οξύ το οποίο αντιδρά με τα ανθρακικά ιόντα. Αποτέλεσμα αυτού είναι η μείωση ανθρακικών ιόντων και η αύξηση όξινων ανθρακικών ιόντων. Συνεπώς το pΗ των ωκεανών, το οποίο είναι ελαφρώς πάνω από 8, μειώνεται.

Αυτή η αλλαγή δημιουργεί σοβαρό πρόβλημα στην τοπική χλωρίδα και πανίδα των ωκεανών επηρεάζοντας κυρίως τους οργανισμούς που σχηματίζουν σκελετούς από ανθρακικό ασβέστιο, οι οποίοι αποτελούν συχνά τη βάση των τροφικών αλυσίδων στους ωκεανούς. Επομένως, επιφέρει σοβαρές συνέπειες για πολλούς θαλάσσιους οργανισμούς και κατ’ επέκταση για τον άνθρωπο. Υπάρχει, λοιπόν, άμεση ανάγκη επίλυσης του προβλήματος.

Στο πλαίσιο αυτό και σε συνδυασμό με την αξιοποίηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, θα εκτελέσουμε μία σειρά πειραμάτων με στόχο να αποδείξουμε την άμεση επίδραση του διοξειδίου του άνθρακα στο pΗ των ωκεανών και να ευαισθητοποιήσουμε τους πολίτες για το θέμα αυτό. Στην εργασία αυτή θα επιδιώξουμε να επικεντρώσουμε το ενδιαφέρον μας στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής και την ανάγκη μείωσης των εκπομπών CO₂ (ΣΤΟΧΟΣ ΟΥΝΕΣΚΟ 13), να προβάλουμε την αναγκαιότητα της προστασίας των οστράκων και της διατήρησης της βιοποικιλότητας (ΣΤΟΧΟΣ ΟΥΝΕΣΚΟ 14) και, τέλος, να συνεργαστούμε με άλλες ομάδες για την επίτευξη  στόχων (ΣΤΟΧΟΣ ΟΥΝΕΣΚΟ 17). Επιπλέον, θα προταθεί ένας τρόπος μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα σε μεθανόλη και άλλα χρήσιμα προϊόντα, προκειμένου να μειωθεί το αρνητικό του αποτύπωμα στους ωκεανούς, και όχι μόνο, και να αξιοποιηθεί για την ενεργειακή αυτονομία πόλεων και κοινοτήτων (ΣΤΟΧΟΣ ΟΥΝΕΣΚΟ 11).

Λέξεις κλειδιά: διοξείδιο του άνθρακα, οξίνιση ωκεανών, ανθρακικά άλατα,  κοραλλιογενείς ύφαλοι, CCU (αξιοποίηση CO₂)

Εισαγωγή

Οι ωκεανοί παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του κλίματος της Γης λόγω της ικανότητάς τους να απορροφούν, να αποθηκεύουν και να μεταφέρουν θερμότητα και υγρασία. Συνολικά, οι ωκεανοί δρουν ως ένας θερμοστάτης του πλανήτη, καθώς διαμορφώνουν το κλίμα και επηρεάζουν τις καιρικές συνθήκες σε τοπικό και παγκόσμιο επίπεδο. Η κλιματική αλλαγή, όμως, έχει διαταράξει τις βασικές τους λειτουργίες. Ειδικότερα, μια επιπλέον ιδιότητα των ωκεανών είναι η δέσμευση CO₂ και, κατά συνέπεια, η απορρόφηση ενός ποσοστού του. Η μεγάλη του, όμως, ποσότητα στην ατμόσφαιρα οδηγεί στη μείωση του pH των ωκεανών, καθώς το CO₂ διαλύεται στο νερό σχηματίζοντας ανθρακικό οξύ το οποίο αντιδρά με τα ανθρακικά ιόντα. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία  και με τα δεδομένα των πειραμάτων μας, τα οποία επαναλήφθηκαν, η οξίνιση των ωκεανών είναι ένα φαινόμενο πραγματικό, το οποίο απαιτεί άμεση αντιμετώπιση καθώς επηρεάζει αρνητικά τόσο τα θαλάσσια οικοσυστήματα όσο και τις ανθρώπινες κοινωνίες. Η ιδέα της εκτέλεσης των πειραμάτων αυτών προέκυψε έπειτα από την ενημέρωση περί του 23ου μαθητικού συμποσίου της ΟΥΝΕΣΚΟ που έλαβε χώρα στην Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών και αφορούσε στο πρόβλημα της λειψυδρίας. Κατά την ενημέρωση από τους καθηγητές περί του θέματος, αναφέρθηκε ο όρος “οξίνιση των ωκεανών”, ο οποίος διέγειρε το ενδιαφέρον της ομάδας και την ώθησε να τον διερευνήσει περαιτέρω. Τα πειράματα που εκτελέστηκαν θεωρήθηκαν πολύ συναρπαστικά. Ως δείκτης pH χρησιμοποιήθηκε το μπλε της βρωμοθυμόλης –το οποίο παρασκευάστηκε στο εργαστήριο– ώστε να είναι πιο φανερές οι αλλαγές. Μια σύντομη αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο των πειραμάτων  είναι:

• Το θαλασσινό νερό είναι ελαφρώς αλκαλικό με pΗ που κυμαίνεται από 7,5 έως 8,4.
• Το CO₂ μπορεί να παραχθεί με πολλούς τρόπους όπως με την  καύση ορυκτών καυσίμων, μέσω της παγκόσμιας βιομηχανοποίησης, αλλά και μέσω της ανθρώπινης εκπνοής.
• Το CO₂ έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του νερού και διαλύεται σε αυτό με αποτέλεσμα να σχηματίζονται όξινα ανθρακικά ιόντα (HCO₃⁻) και υδρογόνο (H⁺) πράγμα που προκαλεί μείωση στο pH του νερού (οξίνιση).

Οι στόχοι της εργασίας μας ήταν:

• Να παρατηρήσουμε τις μεταβολές του pH του νερού παρουσία CO₂.
• Να δείξουμε τις επιπτώσεις της ανθρωπογενούς παραγωγής του CO₂ στα θαλάσσια οικοσυστήματα και ιδιαίτερα στους κοραλλιογενείς υφάλους.
• Να προτείνουμε πιθανά μέτρα για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και της οξίνισης των ωκεανών ώστε να προστατευτούν οι θαλάσσιοι οργανισμοί.

 Υλικά – Μέθοδοι

 Όξινη βροχή – Δείκτες pH (Πείραμα 1ο) 

 Όργανα – Υλικά: 2 κωνικές φιάλες των 100 mL, δείκτης μπλε της βρωμοθυμόλης, καλαμάκια, γλυκό νερό, σταγονόμετρα, αλάτι, pH-μετρο και pH-μετρικό χαρτί.

 Πορεία Πειράματος:

 Α. Με γλυκό νερό: 1. Γεμίζουμε τις κωνικές φιάλες με 40 mL γλυκού νερού. 2. Προσθέτουμε 6 σταγόνες δείκτη σε κάθε φιάλη. (Εικόνα 1) Ύστερα μετράμε στην καθεμία το pH με τη συσκευή. 3. Με το καλαμάκι φυσάμε ελαφρά στη μία από τις δύο φιάλες. 4. Το χρώμα του νερού αλλάζει καθώς γίνεται πιο όξινο. (Εικόνα 2)

Β. Με αλατόνερο: 1. Γεμίζουμε και τις δύο φιάλες με 100 mL γλυκού νερού. Μετά διαλύουμε 8,5 g αλάτι στην καθεμία. 2. Προσθέτουμε 6 σταγόνες δείκτη σε κάθε φιάλη. (Εικόνα 3) Ύστερα μετράμε στην καθεμία το pH με τη συσκευή. 3. Με το καλαμάκι φυσάμε ελαφρά στη μία από τις δύο φιάλες. 4. Το χρώμα του νερού αλλάζει καθώς γίνεται πιο όξινο. (Εικόνα 4)

 Επίδραση ατμόσφαιρας στους ωκεανούς – Δείκτες pH (Πείραμα 2ο)

Όργανα – Υλικά: κωνική φιάλη 250 mL, ποτήρι ζέσης 250 mL, πλαστική μεμβράνη (λειτουργεί ως πώμα), δείκτης μπλε της βρωμοθυμόλης, νερό βρύσης, ξίδι, μαγειρική σόδα, κερί

Πορεία Πειράματος: 1. Στην κωνική φιάλη ρίχνουμε δύο κουταλιές του γλυκού μαγειρικής σόδας. 2. Προσθέτουμε στην κωνική φιάλη 10 mL ξίδι. 3. Αφού σταματήσει να αφρίζει, ελέγχουμε αν είναι πλέον γεμάτη με διοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το κάνουμε τοποθετώντας προσεκτικά ένα αναμμένο κερί στο εσωτερικό της: το κερί σβήνει διότι υπάρχει μεγάλη ποσότητα CO₂. 4. Παράλληλα γεμίζουμε το ποτήρι ζέσης με 50 mL γλυκού νερού καθώς και 10 σταγόνες δείκτη. (Εικόνα 5) 5. Μεταφέρουμε το διοξείδιο του άνθρακα από την κωνική φιάλη στο ποτήρι ζέσης και το κλείνουμε κατευθείαν με την πλαστική μεμβράνη χρησιμοποιώντας την ως πώμα. 6. Το χρώμα του νερού αλλάζει (μπορεί να χρειαστεί έως και μία ημέρα για να φανούν τα αποτελέσματα) όπως και το pH που μειώνεται. (Εικόνα 6)

 Καύση ξύλου – Δείκτες pH (Πείραμα 3ο)

 Όργανα – Υλικά: κωνική φιάλη 100 mL με ελαστικό πώμα, δείκτης μπλε της βρωμοθυμόλης, 20 mL νερού βρύσης, μικρό κομμάτι ξύλου από δέντρο, προστατευτικά γυαλιά, μικρή μεταλλική λαβίδα.

Πορεία Πειράματος: 1. Γεμίζουμε την κωνική φιάλη με 20 mL νερού. 2. Προσθέτουμε 5 σταγόνες δείκτη. Το μείγμα αποκτά ανοικτό μπλε χρώμα καθώς το νερό είναι ελαφρώς βασικό. 3. Έχοντας φορέσει τα προστατευτικά γυαλιά, ανάβουμε το κομμάτι ξύλου και το τοποθετούμε ανεστραμμένο μέσα στη φιάλη. 4. Η φλόγα σβήνει λόγω της έλλειψης οξυγόνου. 5. Κλείνουμε κατευθείαν τη φιάλη με το πώμα και αναδεύουμε. 6. Το χρώμα αλλάζει σε μερικά δευτερόλεπτα (στη φύση αυτό γίνεται με πιο αργούς ρυθμούς. Για να το αποδείξουμε κιόλας, το αφήσαμε χωρίς να το αναδεύσουμε για 1 μέρα).

 Αποτελέσματα

Στους πίνακες 1, 2, 3  καταγράφονται αντίστοιχα τα αποτελέσματα των πειραμάτων 1, 2, 3.

Παρατίθενται κάποιες εικόνες από την πειραματική διαδικασία.

Συμπεράσματα

Οι ανθρωπογενείς εκπομπές CO₂ έχουν αυξηθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια, κυρίως λόγω της παγκόσμιας βιομηχανοποίησης. Το pH των ωκεανών  ελαττώνεται λόγω του CO₂ το οποίο διαλύεται στο νερό και σχηματίζει ανθρακικό οξύ (H₂CO₃). Η παραγωγή του ανθρακικού οξέος επηρεάζει τη συγκέντρωση των ανθρακικών ιόντων (CO₃^2-), καθώς με βάση την αρχή Le Chatelier μετατοπίζει τη χημική ισορροπία προς τα δεξιά, όπου σχηματίζονται όξινα ανθρακικά ιόντα ΗCO₃^-. Τα όξινα ανθρακικά ιόντα που είναι διαλυτά στο νερό ευθύνονται για τη μερική διαλυτοποίηση του κελύφους των οστράκων. Με τον τρόπο αυτό, τα θαλάσσια οικοσυστήματα διαταράσσονται και ιδιαίτερα οι κοραλλιογενείς ύφαλοι.

Το πρόβλημα αυτό μπορεί εν μέρει να αντιμετωπιστεί είτε μέσω δέσμευσης μέρους του διοξειδίου του άνθρακα που εκλύεται και στη συνέχεια αποθήκευσής του σε υπόγειες γεωλογικές δομές (Carbon Capture and Storage or Sequestration – CCS), είτε, κυρίως, μέσω της μετατροπής του σε χρήσιμα προϊόντα, όπως είναι το μεθάνιο, το μονοξείδιο του άνθρακα, η μεθανόλη, άλλες αλκοόλες και υδρογονάνθρακες, καθώς και πλαστικά προϊόντα (Carbon Capture and Utilization – CCU) (Σχήμα 7). Η μετατροπή αυτή λαμβάνει κυρίως χώρα μέσω αναγωγής του CO₂ με τη χρήση αερίου υδρογόνου (υδρογόνωση), με την προϋπόθεση αυτό να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το μέλλον της παραγωγής μεθανόλης και άλλων αλκοολών μέσω της υδρογόνωσης του CO₂ φαίνεται ελπιδοφόρο με όρους αειφόρου ανάπτυξης.

Βιβλιογραφία

https://oceanfdn.org/el/ocean-acidification-research/

https://el.wikipedia.org/wiki/Οξίνιση_των_ωκεανών

https://inactionforabetterworld.com/17-pagkosmioi-stoxoi/

https://dias.library.tuc.gr/view/manf/83373