En el 1735, a Systema Naturae, Carolus Linnaeus exposa una classificació de les espècies naturals. Les tres grans divisions són designades com a “Regna”: “Regnum Lapideum, Regnum Vegetabile i Regnum Animale. Aquesta idea de “regne mineral”, “regne vegetal” i “regne animal” va fer fortuna, i era alhora la derivació de tota una tradició més antiga. Algunes lectures d’Aristòtil van definir una “Scala Naturae”. Aquesta lectura, que combinava elements neoplatònics i cristians, la trobem en Ramon Llull i, fins i tot en el segle XX, la formula Francesc Pujols en cinc graons: 1) vegetals; 2) protozous; 3) animals; 4) humans; 5) àngels, d’acord amb el grau de separació de l’esperit envers la matèria. En l’esquema dels “tres regnes”, el “regne vegetal” es caracteritza aristotèlicament per disposar d’una ànima vegetativa, absent en els minerals. En el “regne animal”, a més de l’ànima vegetativa hi ha una ànima sensitiva, la qual és absent entre els vegetals. Linné, en tot cas, inclou els humans en el regne animal, noció que en Aristòtil conduïa a les idees dels humans com a “animals socials” o “animals racionals”, és a dir dipositaris d’una tercera ànima, la racional, l’única part immortal d’acord amb el pensament cristià. La química moderna, en tot cas, es desplegà en aquest esquema mineral/vegetal/animal. Encara que les lleis bàsiques fossin compartides, hom podia distingir una química mineralògica (una geoquímica) d’una fitoquímica (vegetal) i d’una zooquímica (animal). Fitoquímica i zooquímica es combinen en la bioquímica, la química dels éssers vius. El caràcter comú dels elements químics del món inorgànic (mineral) i orgànic (vegetal i animal) semblava enfortir la idea de la necessitat d’una “força vital” especial que expliqués l’especificitat dels éssers vius. Aquesta “força vital”, anàloga a l’ànima vegetativa d’Aristòtil, era la que explicaria que mentre les transformacions químiques del món mineral eren “reversibles”, les transformacions químiques del món orgànic eren d’un caràcter permanent. Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) considerava necessària una “força regulativa”, sense la qual la matèria orgànica esdevenia matèria orgànica morta, subjecta a una corrupció irreversible. Un exemple de transformació de matèria orgànica morta la constituïa, de bell antuvi, la confecció de sabons a partir de la combinació de greixos (d’origen vegetal o animal) amb àlcalis (d’origen mineral). En el 1816, Michel Chevreul ja havia posat de manifest, amb aquest exemple, que la “força vital” no era imprescindible per generar nous compostos orgànics, com els que constitueixen el sabó. En el 1828, Friedrich Wöhler aconseguia sintetitzar una molècula orgànica com l’urea, a partir de cianat amònic (NH4CNO), mentre que en el 1856, William Henry Perkin obtenia per síntesi química un colorant orgànica (la malva de Perkin o mauveïna). Aquests i altres exemples posaven ja clarament de manifest que no calia una “força vital” per explicar la formació de compostos orgànics. En el 1858, de manera independent, Friedrich August Kekulé i Archibald Scott Couper proposaven ja que la matèria orgànica s’havia d’entendre com una xarxa d’àtoms de carboni. La disposició concreta d’aquesta xarxa de carboni i hidrogen, i la presència d’altres elements com a “substituents” de l’hidrogen, havia d’explicar les propietats de la química orgànica. En certa forma, la intuïció dels iatroquímics com Theopharastus von Hohnhenheim, dit Paracelsus (1493-1541) era vindicada. Nosaltres, precisament, així arribem al número 6 dels elements químics.
Estructura química del metà (CH4), la més simple de les molècules orgàniques. La base de la química orgànica la constitueix el caràcter tetravalent de l’àtom de carboni. A banda de l’hidrogen, l’oxigen, el nitrogen i el sofre són els altres elements que apareixen més habitualment en les molècules orgàniques
La descoberta del carboni
Gravat que representa un estudi sobre la respiració humana, conduït per Antoine de Lavoisier (1743-1794). Lavoisier definí el carboni (carbone) com una “substància simple”, inclosa en el grup de “substàncies no metàl•liques oxidables o acidificables”. Lavoisier considera carboni i el “carbó pur” com sinònims
Lavoisier va considerar el carbó pur com un element químic, al qual designà com a “carboni”. Alhora, els seus estudis sobre el diamant, van demostrar que aquest mineral, químicament, era una forma cristal•lina de carbó pur. Així doncs, estrictament, el descobridor del carboni ens és desconegut, ja que l’extracció de carbó mineral o de diamant, o la confecció de carbó vegetal es perd en temps immemorials.
Arqueològicament, les primeres evidències d’ús del carbó remunten al segle XXXVIII a.n.e., tant a la Mesopotàmia sumèria del període d’Uruk com de l’Egipte “predinàstic”. El carbó vegetal era emprat en la confecció de bronze, concretament en la reducció prèvia de les menes metàl•liques (coure, zinc o estany) que havien de participar en aquest aliatge. Emprar carbó vegetal (amb poders calorífics de 29-35 MJ•kg-1) com a combustible per comptes de llenya (12-21 MJ•kg-1) possibilitava assolir temperatures de forn més elevades, aspecte vital per al desenvolupament de la tecnologia del metall. En tot cas, el carbó vegetal s’havia de confegir a partir de l’escalfament controlat, preservat de l’aire, de fusta o d’altres materials vegetals, fins a temperatures de 700-1000 K.
Carbó vegetal. Ja en l’època romana, aquest material s’obté no gaire diferent a com ho fan els carboners actuals. La llenya és cremada en un forn amb forma de piràmide o de conus, recoberta amb argila, que permet un escalfament del material vegetal sense que hi entri aire. Si hi entrés aire, la llenya acabaria reduïda a cendres. Si l’escalfament és insuficient, el material parcialment carbonitzat reté encara un contingut massa elevat d’aigua
Pel que fa al carbó mineral, hom l’ha detectat a les Illes Britàniques com a component de pires funeràries del III mil•lenni a.C. L’estudi de destrals polides de les cultures de Liangzhu i Sanxingcun, han mostrat que el diamant ja s’emprava per confeccionar-les a mitjan del III mil•lenni a.C. (Lu et al., 2005).
Les destrals de corindó (Al2O3) de les destrals de la cultura Liangzhu (v. 2500 a.n.e.) empraven un dels materials més durs (9 en l’escala de Mohs) de l’escorça terrestre. Per tal de polir-les, hom havia d’emprar un material abrasiu encara més dur, el diamant (10 en l’escala).
Jaciments més o menys superficials d’asfalt sòlid o petroli líquid han estat explotats des de l’antiguitat. D’una banda, hi ha l’aplicació en la confecció de materials impermeables, principalment destinats a la construcció. De l’altra banda, hi ha l’ús com a combustible, particularment per a il•luminació. Vers l’any 347 e.c., ja es documenta a la Xina l’excavació de pous petroliers emprant canyes de bambú.
Asfalt o bitumen natural, procedent de la Mar Morta. Hom ja emprava aquest material en el V mil•lenni a.C. a Mehrgahr, en la Vall de l’Indus, com a material impermeable en la confecció de cistells. Hom l’emprà amb profusió, amb aquesta funció, com a material de construcció a Babilònia, per protegir-se contra crescudes de l’Èufrates (s. VIII a.n.e.). La Mar Morta n’ha estat especialment rica, i d’ací provenia l’asfalt emprat en embalsamaments egipcis (la paraula “mòmia” procedeix de la paraula persa “mum”, que fa referència a aquest material) i el fet que aquesta mar hipersalina fos coneguda com a Palus Asphaltites en temps romans
L’analogia entre el carbó vegetal i els diferents tipus de carbó mineral, o l’aparença superficial entre el carbó bituminós i l’asfalt, és remarcada aviat. El quitrà (de l’àrab, qiṭrân, destil•lar), per exemple, es pot aconseguir per destil•lació destructiva de fusta, de torba, de carbó, d’asfalt o de petroli. Ja en el 1556, Georg Agricola, que introdueix el mot petroli (petroleum) per referir-se a l’asfalt líquid, assenyala els vincles entre tots aquests materials. Així com la torba seria el resultat de l’acumulació i descomposició de material vegetal relativament recent, el carbó i el petroli serien la forma mineralitzada o petrificada ulterior d’aquest procés.
La combustió d’aquests material fou estudiada pels precursors de la química moderna. Jan Baptist van Helmont estudià la combustió del carbó en recipients tancats. En aquestes condicions experimentals, podia comparar la massa inicial del carbó amb la massa final de cendres. La diferència de masses, Van Helmont l’atribuïa a una substància, que anomena spiritus sylvestre. En Van Helmont, per designar els aires o esperits, va introduir una paraula més específica i unívoca: “gas”.
Ja hem vist com el carbó era emprat com a combustible des de l’Edat del Bronze. En l’Edat del Ferro aquest ús continua. L’acer és, de fet, un aliatge de ferro amb un contingut de carboni (0,002%-2,1%), que el fa més dúctil i mal•leable. No obstant, per a la majoria de cultures siderúrgiques, l’acer era considerat un derivat treballat del ferro. En el 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) analitzà detingudament “l’art de convertir el ferro forjat en acer, i l’art d’endolcir el ferro fos o de fer obres de ferro fos així com de ferro forjat”. Réaumur demostrà que el pas del ferro a l’acer requeria l’absorció d’una substància, si bé fou incapaç d’identificar-la amb el carbó, al qual atribuïa una funció exclusivament termogènica.
Així com Mikhail Vasilievic Lomonosov (1711-1765) fornia nous arguments per explicar l’origen del carbó i del petroli com la fossilització de matèria orgànica (animal o vegetal) d’eres geològiques pretèrites, també en els anys 1750 hom trobava arguments per explicar la base química comuna dels processos de combustió i de respiració. Joseph Black (1728-1799) havia mostrat com roques calcàries, sotmeses a temperatures molt elevades, o bé sotmeses a un atac amb àcid, produïen un aire (Van Helmont n’hauria dit un “gas”). Aquest “aire fixat” era d’una natura diferent a l’aire natural, cosa que Black mostrava tant amb dades físiques (l’aire fixat és més dens) com químiques (hom no podia encendre una flama en aire fixat) i biològiques (l’aire fixat no és respirable). Black també mostra que si hom bombejava aire fixat a una solució aquosa de calç (una solució aquosa de calç morta o calç apagada), acaba per precipitar un material calcari, tancant doncs el cicle.
En el 1772, com hem dit, Antoine Lavoisier va estudiar la combustió del diamant (concentrant raigs solars damunt d’una mostra de diamant), i deduí que el diamant, com el carbó pur, havien d’ésser formats per la mateixa substància. Com a producte de combustió, una mateixa massa de carbó i diamant generaven la mateixa massa d’“aire fixat”, sense que hi hagués producció de vapor d’aigua.
En el 1775, Joseph Priestley resumia una sèrie d’“experiments i observacions en diferents tipus d’aire”. Priestley descrivia, en el 1772, com produïa “aire fixat” (“fixed air”) deixant caure gotes d’oli vitriòlic damunt una pedra calcària (creta), i com podia dissoldre aquest “aire fixat” en aigua.
En el 1779, Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) treballava sobre el material conegut com a “plom negre” o “plumbago”. Avui sabem que aquest material ja s’emprava per decorar ceràmica en l’antiguitat més remota (com en la cultura boian, en el curs inferior del Danubi, en el IV mil•lenni a.C.). Des de mitjan del segle XVI, el plumbago de Borrowdale, a Anglaterra, era emprat com a material refractari per fer motllos de bales de canó més arrodonides, llises i efectives. Scheele que l’aparença superficial d’aquest material amb el plom no es traduïa químicament. La combustió del “plom negre” donava lloc a unes cendres que contenien ferro, però el gros de la massa donava lloc a un “aire fixat”. Quan el “plom negre” era sotmès amb un atac àcid (amb “aqua fortis”) s’hi produïa un “àcid aeri”. Que el “plom negre” era realment una forma de “carbó”, tal com també ho és el “diamant” quedà patent ja en el 1786, a través dels treballs de Claude Louis Berthollet (1748-1822), Gaspard Monge (1746-1818) i C. A. Vandermonde. Aquests autors, assumien que el “plumbago” havia de contindre unes traces de ferro, i proposaven el nom de “carbone/carbonum” per designar l’element químic comú al carbó pur, al diamant i al plumbago.
El grafit fou conegut com a plom negre fins que s’evidencià, en els anys 1770, que era una forma de carboni
En el 1789, Abraham Gottlob Werner proposava el nom de “grafit” per designar el plumbago (emprant un dels seus usos, com a estri d’escriure: el llapis, difós a partir del segle XVII). En el mateix 1789, Antoine Lavoisier consagra ja el nom de “carboni” per referir-se a la “substància simple” o “elemental” que fa de base del carbó, del diamant i del grafit.
John Dalton, en “A new system of chemical philosophy” (1808), representa el carboni com un cercle de color negre (“negre com el carbó”). Entre els compostos de carboni que proposa, en la seva teoria atòmica, inclou l’olefiant (o hidrocarbur, format per un àtom d’hidrogen i d’un de carboni), l’òxid carbònic (format per un àtom de carboni i un d’oxigen), l’àcid carbònic (equiparable a l’àcid aeri o aire fixat, amb fórmula CO2), l’alcohol (format per un àtom d’hidrogen i tres de carboni), l’àcid acetós (format per 2 àtoms de carboni, 2 àtoms d’hidrogen i 2 àtoms d’oxigen) i el sucre (combinació d’una molècula d’alcohol i d’una àcid carbònic, C4O2H).
L’ús de la lletra C com a símbol del carboni ja la trobem en Berzelius (1813-14). D’acord amb la llei dels octaus, John Newlands (1864), defineix un “grup del carboni” que encapçala aquest element (que numera com a 5) i continuen el silici (Si, element 12), el titani (Ti, element 18), l’indi (In, element 26), el zirconi (Zr, element 32), l’estany (Sn, element 39), el wolframi (W, element 47) i el plom (Pb, element 54).
En la primera taula periòdica de Mendeleev (1869), el carboni (C, amb massa atòmica de 12) encapçala un grup format, a més, pel silici (Si, amb massa de 28), un element desconegut (de massa de 70) i l’estany (Sn, de massa 118). En la taula del 1871, aquest grup rep la denominació de “IV” i és caracteritzat per formar hidrurs en forma RH4 i òxids en forma de RO2: C (12), Si (28), Ti (48), un element desconegut (72), Sn (118), el cobalt (Co, 140, com a membre dubtós), el lantà (La, 180, com a membre dubtós), el plom (Pb, 207) i el tori (Th, 231). Més tard, el grup seria depurat: C, Si, Ge (l’element desconegut de massa atòmica de 72/73), Sn i Pb. El grup és conegut com a “grup del carboni” i, segons les nomenclatures rep les denominació de Grup 14, IVA i IVB; també se’ls coneix com a “cristal•lògens” o com a “tetrels” (per la valença 4 que mostren habitualment).
El carboni: isòtops i abundància
El nombre atòmic del carboni és 6, i el número màssic és de 12, per bé que el pes atòmic ponderat és de 12,0107, valor que resulta de la ponderació de diferents isòtops:
– carboni-8 (8C; 8,037675 uma). Nucli format per 6 protons i 2 neutrons. És molt inestable, amb una semivida de 2•10-21 s. Decau a beril•li 6, amb emissió de dos protons.
– carboni-9 (9C; 9,0310367 uma). Nucli format per 6 protons i 3 neutrons. És molt inestable, amb una semivida de 0,1265 s. Decau majoritàriament (60%) a bor-9, amb emissió d’un positró. Alternativament, pot decaure a beril•li-8 (23%, amb emissió d’un protó i d’un positró) o a liti-5 (amb emissió d’un nucli d’heli-4 i un positró).
– carboni-10 (10C; 10,0168532 uma). Nucli format per 6 protons i 4 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 19,29 s. Decau a bor-10, amb emissió d’un positró.
– carboni-11 (11C; 11,0114336 uma). Nucli format per 6 protons i 5 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1220,04 s (>20 minuts). Decau normalment (99,79%) a bor-11, amb emissió d’un positró; si bé minoritària (0,21%) pot decaure a bor-11 (per captura d’un electró de nivell 1). És emprat com a marcador en tècniques de tomografia d’emissió de positrons.
– carboni-12 (12C; la uma és definida de tal manera que la massa d’aquest isòtop sigui exactament de 12 uma). Nucli format per 6 protons i 6 neutrons. És un isòtop estable. El 98,93% dels àtoms de carboni són de carboni-12 (amb variacions que van del 98,853% al 99,037%).
– carboni-13 (13C; 13,0033548378 uma). Nucli format per 6 protons i 7 neutrons. És un isòtop estable, però minoritari en relació al carboni-12, per la qual cosa se’l designa com a “isòtop pesant del carboni”. El 1,07% dels àtoms de carboni són de carboni-13 (amb variacions que van de 0,963% a 1,147%). És emprat en marcatges isotòpics no-radiactius de molècules orgàniques, i la relació entre 12C/13C és rellevant en estudis biològics. Per exemple, en reaccions fotosintètiques, plantes i algues empren preferencialment 12C envers 13C, en una relació que, a més, varia d’acord amb el mecanisme de fixació de carboni (plantes C3 vs. plantes C4).
– carboni-14 (14C; 14,003241989). Nucli format per 6 protons i 8 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida considerable de 1,808•1011 s (5730 anys). Decau a nitrogen-14, amb emissió d’un electró. El carboni-14, alhora, es forma per acció de la radiació còsmica, a partir de nitrogen-14 (14N + 1n → 14C + 1H). Segons la mostra, l’abundància relativa del carboni-14 pot arribar a 1 ppb (respecte el carboni total). En termes generals, a la Terra, el carboni-14 és present en l’atmosfera i en dipòsits superficials recents, mentre que és pràcticament absent en roques antigues. En els éssers vius, el carboni-14 arriba a través de l’assimilació de CO2 o de matèria orgànica, i tendeix, doncs, a davallar, en cessar les funcions biològiques. Per això, l’abundància relativa de carboni-14 és la base d’una tècnica de datació útil per a materials orgànics de fins a 60.000 anys d’antiguitat.
– carboni-15 (15C; 15,0105993 uma). Nucli format per 6 protons i 9 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 2,449 s. Decau a nitrogen-15, amb emissió d’un electró.
– carboni-16 (16C; 16,014701 uma). Nucli format per 6 protons i 10 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,747 s. Decau normalment (97,9%) a nitrogen-15, amb emissió d’un neutró i d’un electró. Alternativament (2,1%) pot decaure a nitrogen-16, amb emissió d’un electró.
– carboni-17 (17C; 17,022586 uma). Nucli format per 6 protons i 11 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,193 s. Decau majoritàriament (71,59%) a nitrogen-17, amb emissió d’un electró, o alternativament (28,41%) a nitrogen-16, amb emissió d’un neutró i d’un electró.
– carboni-18 (18C; 18,02676 uma). Nucli format per 6 protons i 12 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,092 s. Decau majoritàriament (68,5%) a nitrogen-18, amb emissió d’un electró, o alternativament (31,5%) a nitrogen-17, amb emissió d’un neutró i d’un electró.
– carboni-19 (19C; 19,03481 uma). Nucli format per 6 protons i 13 neutrons (1 d’ells en halo). És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0462 s. Pot decaure a nitrogen-18 (47%, amb emissió d’un neutró i d’un electró), a nitrogen-19 (46%, amb emissió d’un electró) o a nitrogen-17 (7%, amb emissió de dos neutrons i d’un electró).
– carboni-20 (20C; 20,04032 uma). Nucli format per 6 protons i 14 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,016 s. Decau majoritàriament (72%) a nitrogen-19, amb emissió d’un electró i d’un neutró o, alternativament (28%) a nitrogen-20, amb emissió d’un electró.
– carboni-21 (21C; 21,04934 uma). Nucli format per 6 protons i 15 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 3•10-8 s. Decau a carboni-20, amb emissió d’un neutró.
– carboni-22 (22C; 22,05720 uma). Nucli format per 6 protons i 16 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 6,2•10-3 s. Decau a nitrogen-22, amb emissió d’un electró.
L’àtom neutre de carboni conté sis electrons, en una configuració de 1s22s22p2. Els estats d’oxidació més habituals són +4 (C4+) i -4 (C4-), per bé que també el podem trobar en els valors intermedis (+3, +2, +1, 0, -1, -2, -3). Amb una electronegativitat de 2,55, el carboni és classificat entre els no-metalls, si bé alguna vegada se’l compta (com es fa amb el silici i el germani) entre els metal•loids. El radi de Van der Waals, de l’àtom de carboni és de 1,7•10-10 m.
Esquema de temperatura-pressió que relaciona les diferents fases del carboni elemental
El carboni elemental pot formar tota una sèrie d’al•lòtrops, com ara:
– el diamant, que constitueix el mineral natural més dur conegut. Té una densitat de 3,52 kg•m-3.
– el grafit, que és l’al•lòtop més estable. Té una densitat de 2,3 kg•m-3. La xarxa cristal•lina del grafit es disposa en capes individuals. El grafè seria la forma de grafit en monocapa.
– el carbó amorf, si bé no presenta una xarxa cristal•lina a gran escala, sí pot contindre cristalls microscòpics, freqüentment de grafit.
– els ful•lerens, foren descrits en el 1985, com una xarxa de C60 (buckminsterful•lerè), en forma d’icosaedre truncat (amb 20 cares exagonals i 12 pentagonals, i amb un àtom de carboni per a cada vèrtex, i un enllaç C-C per a cada aresta). Hom també ha aconseguit la síntesi de ful•leren en forma de nanotubs i nanogemmes, d’interès en nanotecnologia.
– carbó vitri. Fou sintetitzat per Bernard Redfern en els anys 1950. Com el grafit, és bon conductor elèctric, però resulta molt més resistent davant de l’atac àcid.
– carboni monoatòmic. És una forma molt inestable. És emprada en el laboratori per a la síntesi de carbens.
– carboni diatòmic (:C=C:). Encara que inestable, aquesta espècie ha estat detectada en estudis espectroscòpics d’estels i cometes.
– nanoscuma de carboni. Fou descoberta per Andrei V. Rode et al. (1997), i consisteix en una xarxa tridimensional de baixa densitat d’àtoms de carboni (la cel•la és formada per 4.000 àtoms de carboni en una amplada de 6 nm).
– londaleïta: cristall de simetria hexagonal (com el grafit) presenta la transparència i duresa típics del diamant.
– carboni acetilènic linial: consisteix en un polímer lineal d’àtoms de carboni (-(C:::C)n-).
– carboni metàl•lic: a pressions extremadament altes, el carboni pot mostrar algunes característiques metàl•liques.
– prismà (C8): format per una bipiràmide triangular elongada, amb àtoms de carboni a cada vèrtex, i dos més a banda i banda de la base compartida de la bipiràmide.
Vuit exemples d’al•lòtrops de carboni: a) diamant; b) grafit; c) lonsdaleïta; d) ful•lerè (C60); e) C540; f) C70; g) carbó amorf; h) nanotub de carboni
El carboni (element 6) és el quart element més abundant de l’univers només superat per l’hidrogen (element 1), l’heli (element 2) i l’oxigen (element 8). A la Via Làctia, el carboni representa el 0,46% de la matèria bariònica. La nucleogènesi del carboni es produeix en els estels, a través del procés triple-alfa (en el qual tres nuclis d’heli-4 es combinen per formar un nucli de carboni-12), mentre que el carboni actua com a catalitzador en altres reaccions nuclears estel•lars (cicle CNO) que condueixen a la formació d’altres elements encara més pesants. Les explosions de supernoves i d’altres processos similars enriqueixen de carboni el medi interestel•lar. El carboni hi pot trobar-se formant petites molècules inorgàniques (CO2, CO), però també formant molècules orgàniques. Els hidrocarburs són compostos de carboni i hidrogen, que poden formar cadenes més o complexes (hidrocarburs alifàtics). El benzè (cicle de sis àtoms de carboni units cadascun amb un àtom d’hidrogen) és la base dels hidrocarburs aromàtics. Hom calcula que un 20% dels àtoms de carboni de l’univers es troben format molècules més o menys complexes d’hidrocarburs aromàtics policíclics.
Com hem vist, l’oxigen és un element més abundant que el carboni en el còmput general de l’univers (hi ha més de 2 àtoms d’oxigen per cada àtom de carboni). En alguns astres, però, el carboni pot ser més abundant que l’oxigen. Hom ha considerat la possibilitat que planetes com 55 Cancri e o PSR J1719-1438 b siguin, en aquest sentit, “planetes carbonacis”. Hom ha imaginat que aquests planetes consten d’un nucli ric en ferro (o en acer, degut a l’aliatge del ferro amb el carboni), d’un mantell molt de carbur de silici (SiC) i carbur de titani (TiC), una escorça formada per diamant i grafit, recoberta per oceans o glaceres d’hidrocarburs i atmosferes d’òxid de carboni.
En el nostre Sistema Solar, però, no ha conduït a aquesta mena de planetes, encara que una bona part (75%) dels asteroides són rics en materials carbonacis. Per cada àtom de silici del Sistema Solar no arriben a 10 els àtoms de carboni, mentre que aquesta xifra és còmodament superada per l’oxigen. Sigui com sigui, el carboni és el quart element (després de l’H, He i O) en abundància en el Sistema Solar. En termes de massa, el carboni-12 constitueix el 0,3032%, mentre el carboni-13 se situa a 0,0037%. De cada milió d’àtoms del Sistema Solar, uns 326 són àtoms de carboni-12 i 4 de carboni-13 (global de 330 ppm).
En termes de massa de la Terra, el C és superat per una llarga llista d’elements (Fe, O, Si, Mg, Ni, Ca, Al, S, Cr, Na, Mn, P, Co, Ti), i la concentració planetària és de 730 mg/kg. En termes atòmics, de cada milió d’àtoms de la Terra, 1600 àtoms són de C.
Pel que fa a l’escorça terrestre, el carboni és el 15è element més abundant. La concentració en termes de massa s’ha estimat en unes 300 ppm. Bona part del carboni litosfèric es presenta en forma de carboni, petroli i gas natural. Coneguts genèricament com a “combustibles fòssils”, són el resultat de la mineralització de matèria orgànica morta procedent d’organismes que van viure fa milions d’anys (els més antics dels quals poden remuntar a fa 650 milions d’anys). Una altra part del carboni litosfèric es troba integrant roques (com ara pedres calcàries, formades per carbonat càlcic, CaCO3). Si més no, una part d’aquestes roques també són producte de la fixació biològica des de temps remots de CO2.
En els oceans de la Terra, el carboni és el 10è element més abundant, amb una proporció en termes de massa de 0,0028%.
Actualment, en l’atmosfera terrestre, la major part del carboni es troba en forma de CO2. Aquest gas era molt més abundant en “l’atmosfera secundària”, formada fa uns 3.800 milions d’anys com a resultat del vulcanisme i del darrer gran bombardeig de meteorits. La difusió de microorganismes fotosintètics oxigènics, que consumien CO2 i produïen O2, crearen l’atmosfera terciària actual i vehicularen la major part del CO2 atmosfèric a carbonats i a l’augment de la biosfera (i, de retruc, a la formació de carbó, petroli i gas natural).
La immensa majoria de la matèria orgànica de l’univers no és matèria viva ni té a veure amb cap biosfera planetària. Les formes de vida, si més no les que coneixem, però, sí es basen en la matèria orgànica, és a dir en la química del carboni tetravalent. Tant és així que els grans paràmetres ecològics (biomassa, producció, productivitat) solen emprar com a referència normalitzadora els grams de carboni estimats. Si considerem la matèria seca (prescindint de l’aigua), el carboni és l’element principal de les estructures biològiques. No passa el mateix si tenim en compte la matèria fresca (amb l’aigua inclosa). En el cos humà, en termes de massa, el carboni suposa el 18%, amb la qual cosa queda per darrera de l’oxigen (amb un 65%, provinent dels fluids corporals però també de la matèria seca). Si assumim un pes corporal humà de 70 kg, uns 16 kg es corresponen al carboni. Per cada 100 àtoms de l’organisme humà, 12 àtoms són de carboni (que queda per darrera dels 62 àtoms d’hidrogen i els 24 àtoms d’oxigen). L’obtenció de carboni per part de l’organisme serveix per a fer les grans classificacions metabòliques, que distingeixen entre organismes autòtrofs (que empren fonts inorgàniques de carboni, principalment CO2; productors primaris) i heteròtrofs (que requereixen emprar fonts orgàniques de carboni).
La petjada en el cicle del carboni
El cicle biogeoquímic del carboni inclou la sèrie de transformacions que pateixen els compostos carbonacis (orgànics i inorgànics) que trobem en l’atmosfera, la hidrosfera (oceans, aigües continentals, glaceres), la litosfera (escorça terrestre) i la biosfera:
Els nombres expressen 109 tones de carboni. Les xifres en color blanc assenyalen reservoris de carboni. En color groc tenim els fluxos anuals de carboni de caràcter “natural”. En vermell apareix el flux que resulta de les emissions de CO2 lligades a l’activitat humana.
La expressió “cicle” en referència al “cicle del carboni” ens aporta la idea d’un equilibri perfecte entre “entrades” i “sortides”. A curt termini i, salvades variacions estacionals, els nivells atmosfèrics de CO2 són constants. Si tenim, però, en compte els valors de concentració dels darrers 600 milions d’anys, trobarem una tendència a la disminució:
Durant el Fanerozoic, de més antic (dreta) a més modern (esquerra), els nivells atmosfèrics de CO2 han patit oscil•lacions. La tendència general, segons algunes modelitzacions i mesures, és la de disminució
Si ens centrem en els darrers 400.000 anys, trobem un cicle vinculat a les grans glaciacions:
Les concentracions de CO2 es correlacionen amb els màxims glacials i amb els períodes interglacials. Durant els màxims de glaciació, la concentració atmosfèrica de CO2 baixa per sota de les 200 ppm. En canvi, en els períodes interglacials la xifra pot arribar a les 300 ppm. En l’actualitat, però, la xifra ja s’apropa a 400 ppm, degut a uns augments produïts durant les darreres dècades
La concentració atmosfèrica de CO2 en l’època preindustrial era de 280 ppm. Els valors mitjans del 2013, normalitzats per la variació estacional, foren de 395 ppm. La taxa d’augment interanual fou en la primera dècada del segle XXI de 2 ppm/any. Aquesta taxa mateixa tendeix augmentar d’any en any.
Les causes d’aquest augment es troben en l’activitat econòmica humana. La primera causa la trobem en el consum de combustibles fòssils, que suposa retornar a l’atmosfera carboni que fou segrestat en l’escorça terrestre de manera pràcticament irreversible fa milions d’anys. La segona causa té a veure amb la pèrdua de massa forestal (que fa que una part del carboni orgànic de la biosfera passi a carboni inorgànic atmosfèric). Si entre el 1751 i el 1900, l’ús de combustibles fòssils suposà un flux de carboni cap a l’atmosfera de 12 gigatones, entre el 1900 i el 2008 el valor era de 334 gigatones. Encara que existeixen mecanismes naturals (grans masses forestals, assimilació oceànica de CO2 atmosfèric, etc.) compensatoris, la compensació natural tan sols cobreix un 57% de les emissions antropogèniques de CO2.
L’acidificació oceànica que resulta de l’assimilació addicional de CO2 atmosfèric és un dels efectes d’aquesta tendència. El CO2 assimilat dóna lloc a àcid carbònic (H2CO3), responsable d’una caiguda del pH oceànic des dels valors preindustrials (8,25) als actuals (8,14), o el que és el mateix un augment del 30% en la concentració de H3O+.
Però la màxima atenció se centra en el rol que juga el CO2 en l’atmosfera com a gas amb efecte hivernacle. L’efecte hivernacle és degut a l’acció absorbidora dels raigs infrarojos emesos per la superfície terrestre per part de diversos gasos atmosfèrics, principalment el vapor d’aigua (H2O, que contribueix amb un 36-70% a l’efecte global), el CO2 (amb una contribució del 9-26%), el metà (CH4, 4-9%) i l’ozó (O3, 3-7%). Si no fos per aquest efecte hivernacle, la temperatura superficial mitjana de la Terra no seria de 14ºC sinó de -18ºC, i ens trobaríem en una veritable situació de “glaciació global”. L’acció humana, però, fa elevar aquest efecte hivernacle, principalment a través del CO2, però també degut al CH4 i als òxids de nitrogen (NOx). A més d’un escalfament mundial mitjà, aquest augment de l’efecte hivernacle produeix una alteració climàtica a nivell regional en termes de règims de precipitació i de diversos fenòmens meteorològics.
Ja fa més de vint anys, es creà la Convenció Marc de Nacions Unides sobre Canvi Climàtic (UNFCCC), amb l’objectiu d’“estabilitzar les concentracions de gas amb efecte hivernacle en l’atmosfera a un nivell que previngui una interferència antropogènica perillosa en el sistema climàtic”.
Un concepte clau és el de la “petjada de carboni”, referida clàssicament com “el conjunt total d’emissions de gasos d’efecte hivernacle provocats per una organització, esdeveniment, producte o persona”. Alternativament, se l’ha definit com “una mesura de la quantitat total d’emissió de diòxid de carboni i de metà d’una població, sistema o activitat definits, considerant totes les fonts, absorcions i reservoris rellevants, dins dels límits espacials i temporals de la població, sistema o activitat d’interès”. Com a unitat de mesura hom empra l’equivalent de diòxid de carboni (CO2e) d’acord amb el potencial d’escalfament global en 100 anys (GWP100). Aquestes unitats de mesura són les bases de les mesures reguladores per part de les administracions i són les que se segueixen en l’anomenat “mercat d’emissions de carboni”, en el que els “drets d’emissió” distribuïts entre els diferents “agents” són objecte de compra-venda.
Des de la Mediterrània 