Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

Уголь широко используется в металлургии для выплавки чугуна. Чем выше качество угля, тем чище получается чугун. Поэтому уголь вначале стараются очистить от примесей, перерабатывая его в кокс. Для приготовления кокса уголь сильно нагревают без доступа воздуха; летучие органические вещества и часть серы испаряются, давая коксовый газ, который сам по себе является ценным сырьем. Оставшийся после прокаливания каменноугольный кокс идет на металлургические заводы.

Издавна для выплавки чугуна и стали применяли и древесный уголь. Раньше, когда не умели приготовлять из каменного угля кокс, весь чугун выплавляли с помощью древесного угля. Почти все леса Англии были сведены на уголь для металлургической промышленности.

Древесный уголь снискал себе славу и как великолепный поглотитель газов. Этой способностью обладают многие вещества, но древесный (особенно березовый) уголь оказывается вне конкуренции. Один объем древесного угля способен поглотить при комнатной температуре до 200 объемов воздуха и еще большее количество ядовитых газов: хлора, фосгена и других — так велика его пористость. Поэтому древесный уголь с успехом используется в противогазах, заменяя сложные химические фильтры.

Если уголь охладить жидким воздухом, его поглотительная способность возрастает примерно в десять раз. Этим пользуются в лабораториях для создания вакуума. Охлажденные кусочки угля помещают в сосуд, откуда выкачивают воздух, и каждый кусочек «впитывает» в себя влагу и газы, которые надо удалить. Вакуум в сосуде резко повышается.

Между прочим, углерод является одним из самых тугоплавких веществ. Он плавится при температуре около 3700 градусов.

С химической стороны углерод оказывается малоактивным элементом. Однако он «инертен» лишь при обычных условиях. Достаточно высокие температуры заставляют его вступать в реакции со многими элементами — металлами и неметаллами.

Из трех аллотропических форм самой реакционноспособной оказывается аморфный углерод. При небольшом нагревании на воздухе он энергично соединяется с кислородом, образуя двуокись углерода — углекислый газ CO2. Если горение происходит при недостатке кислорода, получается угарный газ — окись углерода CO. С серой углерод образует очень важное соединение — сероуглерод, прекраснейший растворитель жиров, масел и смол. К химическим свойствам углерода мы еще вернемся.

Самое важное соединение углерода

Оно не только самое важное, но и самое вездесущее. Углекислый газ содержится в атмосфере (0,03 процента), растворен в воде рек и морей, выделяется в огромных количествах при извержениях вулканов и, следовательно, содержится в недрах Земли. Любопытно, что на Венере его несравненно больше, чем в земной атмосфере.

Углекислый газ непрерывно перерабатывается растениями в органические вещества, растения поедаются животными, которые выдыхают углекислый газ, и углерод вновь, таким образом, попадает в атмосферу. Так происходит круговорот углерода в природе. Однако этот цикл имеет и разветвления. Значительные количества углекислого газа поступают в атмосферу Земли при извержениях вулканов. В то же время много углекислого газа, растворенного в воде океанов в форме карбонатов, используется морскими животными для построения скелетов и раковин.

В древние периоды истории Земли огромные количества углерода были выведены из круговорота жизни и погребены под толщей осадочных пород в виде залежей кальцита, каменного угля и нефти.

В течение последнего столетия человек, добывая и сжигая большие количества полезных ископаемых, увеличил поступление углекислого газа в атмосферу. Содержание его в атмосфере сейчас медленно нарастает. Но не только пищей растений служит углекислый газ, он еще и «одеяло» Земли. Он легко пропускает солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, но задерживает инфракрасные лучи, которые Земля излучает в мировое пространство. Если бы в атмосфере отсутствовал углекислый газ, климат нашей планеты был бы намного холоднее и суше. Поэтому деятельность человека, постепенно увеличивающего содержание CO2 в атмосфере Земли, должна со временем привести к потеплению и увлажнению климата.

Углекислый газ не так безвреден для организма человека, как может показаться на первый взгляд. Когда его в воздухе больше 3 процентов, это ведет к серьезным нарушениям работы организма. При 10-процентной концентрации наступает почти мгновенная смерть вследствие остановки дыхания.

В повседневной практике CO2 широко применяется в виде так называемого сухого льда — твердого углекислого газа. Он используется для охлаждения, а также при проведении взрывных работ. С этой целью его помещают поверх заряда взрывчатого вещества. При высокой температуре сухой лед мгновенно испаряется с образованием большого объема CO2, что значительно увеличивает силу взрыва.

Основа «черного золота»

Нефть — сложная смесь различных соединений углерода, встречающихся в природе. Это черная маслянистая жидкость с характерным запахом, в состав которой входят углеводороды и более сложные органические соединения. Нефть перерабатывается на химических заводах. Сначала отгоняют из нее самые легкие молекулы — бензин, затем более тяжелые — керосин и, наконец, смазочные масла. Оставшаяся смесь называется мазутом и используется в качестве топлива при варке стали в мартеновских печах, в топках пароходов и электростанций. Продукты, содержащиеся в мазуте, применяются для производства взрывчатых, красящих и лекарственных веществ.

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