Страница 23 из 83
Часто полагают, что нефть образует под землей целые «озера» и даже «моря». Действительно, нередко бывает, что после проходки скважины нефть бьет фонтаном. Один такой фонтан может дать от 100 до 1000 тонн нефти в сутки. Однако она отнюдь не собирается под землей в естественных нефтехранилищах, а пропитывает, как губку, рыхлые, пористые породы и изливается на поверхность лишь благодаря давлению верхних слоев Земли и растворенных газов. Если же давление нефти в пласте недостаточно, ее приходится выкачивать насосами. Тогда для поддержания необходимого пластового давления, то есть давления, под которым в пласте породы находится нефть, туда закачивают воду.
Если происхождение каменного угля из древних растений не вызывает у ученых сомнений, то в вопросе о происхождении нефти до сих пор еще нет единого мнения. Некоторые исследователи, в том числе Менделеев, считали, что нефть образовалась из минеральных веществ — карбидов металлов, излившихся из земных глубин, и воды. Если это так, то месторождения нефти должны располагаться в основном около трещин земной коры, у мест вулканической деятельности. Но из 10 тысяч месторождений нефти, известных на Земле, только 30 расположены вблизи трещин земной коры, а остальные залегают в осадочных породах, никогда не соприкасавшихся с магмой.
Поэтому большинство ученых в настоящее время придерживается иного мнения. По-видимому, нефть образовалась из остатков древних животных и растений. Если такие остатки попадают в среду, содержащую кислород, они при разложении дают каменный уголь. Но если среда, в которой захоронены органические остатки, бедна кислородом, образуется нефть. При этом уголь так и остается на месте захоронения, а нефть перемещается под землей и может рассеяться, если не встретит благоприятных условий для накопления — выпуклых «линз» из глинистых грунтов.
Когда вышележащие слои породы непроницаемы и для газов, то самые легкие из образующихся углеводородов — метан, этан и другие — тоже накапливаются под землей и образуют месторождения природного газа. Природный газ — самое дешевое и прекрасное химическое сырье.
По многообразию и численности своих соединений углерод оставляет позади все остальные элементы таблицы Менделеева, вместе взятые.
В сочетании с водородом, кислородом, азотом, серой и фосфором он образует почти все органические вещества, существующие в природе и синтезированные в лаборатории. Их известно более двух миллионов и теоретически возможно бесконечное множество. По образному выражению академика Несмеянова, язык органической химии — это язык, алфавит которого состоит всего из шести букв, а словарный запас непрерывно растет и уже сейчас с трудом умещается в сотне объемистых томов.
Многообразие углеродистых соединений обусловлено уникальной способностью атомов углерода образовывать чрезвычайно прочные связи друг с другом. Цепи из углеродных атомов могут достигать очень большой длины и вполне устойчивы. В то же время даже короткие цепи из атомов других элементов в подавляющем большинстве случаев непрочны. Так, например, для кислорода максимальная длина цепи состоит из двух атомов; соединения, содержащие такие цепи, малоустойчивы. Для углерода получено вполне устойчивое соединение, содержащее цепочку из 70 углеродных атомов.
Но и в неорганической химии углерод занимает видное место. Особо нужно отметить углекислый газ и его производные.
Растворяясь в воде, углекислый газ соединяется с ее молекулами и образует слабую угольную кислоту H2CO3.
В чистом виде эту кислоту получить невозможно, потому что она очень неустойчива. Напротив, соли угольной кислоты — карбонаты и бикарбонаты — соединения устойчивые. Самое важное из них — карбонат натрия Na2CO3, или сода, — находит огромное применение в промышленности и хозяйстве. Аналогичное соединение калия (K2CO3) называется поташом. Как и все соли калия, это очень ценное удобрение. Если металл заместил в молекуле угольной кислоты только один атом водорода, получается бикарбонат. Наиболее известный бикарбонат — двууглекислая, или питьевая, сода NaHCO3.
Другое важное соединение углерода с кислородом — его окись CO.
Как мы уже говорили, окись углерода образуется при горении угля, если количество кислорода недостаточно для его полного сгорания. При нехватке воздуха в нижней части печи, где кислород еще есть, идет обычное горение с образованием углекислого газа: C + O2 = CO2, а в верхней ее части раскаленный уголь омывается уже не воздухом, а CO2, уголь отнимает кислород у углекислого газа и образуется окись углерода: C + CO2 = 2CO.
Окись углерода иногда называют угарным газом, потому что она очень ядовита. Отравление ею (угар) часто происходит при преждевременном закрывании дымохода в печи. При отравлении окисью углерода человеческая кровь теряет способность поглощать и передавать тканям организма кислород воздуха. Это может привести к смерти.
Взамен недостающего (до устойчивого соединения CO2) кислорода окись углерода охотно присоединяет другие атомы или группы атомов. Химики в таких случаях говорят о склонности к реакциям присоединения. Например, при температуре около 500 °C или просто на свету окись углерода «захватывает» два атома хлора: CO + Cl2 = COCl2. Образуется известное отравляющее вещество — фосген. Фосген — очень ценный реактив для получения многих сложных органических соединений. При повышенной температуре и большом давлении окись углерода соединяется с металлами; таким путем удается получить, в частности, летучее соединение железа — карбонил железа Fe(CO)5.
При сгорании окиси углерода выделяется большое количество тепла, поэтому ее получают в различных газогенераторных установках и используют как горючий газ.
При подземной газификации уголь в значительной степени превращается в окись углерода, которая затем выводится по трубам на поверхность и используется.
С помощью окиси углерода может быть получена синильная, или цианистоводородная, кислота HCN, например, при взаимодействии с аммиаком: СО + NH3 = HCN + H2O.
Синильная кислота — один из самых сильных ядов.
При высоких температурах углерод соединяется со многими металлами, образуя карбиды. Наиболее известны карбиды вольфрама WC и W2C. Они незаменимы при изготовлении сверхтвердых сплавов, по твердости приближающихся к алмазу.
Самым простым соединением углерода с водородом, находящимся на условной границе органических и неорганических соединений, является газ метан CH4. Он получается при высокой температуре прямо из углерода и водорода. В природе он образуется при разложении органических веществ без доступа воздуха. Метан — главная часть природных горючих газов.
Атомы водорода в метане могут полностью или частично заместиться на атомы галоидов. При замещении трех атомов водорода атомами хлора образуется хлороформ CHCl3, широко применяемый в медицине, а если все четыре атома водорода замещены хлором, получается четыреххлористый углерод CCl4 — очень хороший негорючий растворитель. Различные смеси таких галоидных соединений углерода, как CCl2F2, CClF3 и т. д., носят техническое наименование фреонов и используются в холодильной технике.
Во всяком случае, и по многообразию своих неорганических соединений углерод занимает одно из ведущих мест среди всех элементов периодической системы.
Кремний — замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены на Земле. Хотя оболочка нашей планеты слагается из огромного количества не похожих друг на друга минералов, кремний занимает видное место в большинстве из них. На долю кремния приходится около 30 процентов веса земной коры. Кремний содержится во всех растениях. Особенно много его в хвоще и бамбуке.