Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

входят уголь, нефть и природный газ. Углеводороды, эти несложные продукты органической химии, встречающиеся повсеместно на Земле и в космосе, представляют собой молекулы, каждая из которых создана из прочного скелета соединенных атомов углерода и декорирована оторочкой из атомов водорода. В природном газе, или метане, — простейшем углеводороде — один атом углерода окружен пирамидой из четырех атомов водорода. Вклад углерода — шесть электронов, каждый из атомов водорода добавляет еще по одному для магической суммы в десять электронов.

Когда друг с другом соединяются два атома углерода, окруженные шестью атомами водорода по периферии, появляется новое соединение — топливо под названием этан. В этой простой горючей молекуле оба атома углерода используют свои электроны совместно с четырьмя соседями, в итоге каждый атом углерода наслаждается десятью электронами, а в то же время каждый атом водорода получает желаемое дополнение для обладания двумя электронами. В этане все атомы довольны.

Давайте продолжим строить: три подряд атома углерода обеспечивают скелет для пропана — распространенного в сельской местности топлива, которое хранится в больших белых цистернах. В пропане небольшой ряд из трех атомов углерода окружен восемью атомами водорода.

Если атомов углерода — четыре, то появляется кое-что новенькое: эти четыре атома имеют возможность выстраиваться двумя разными способами в виде двух изомеров. Четыре атома углерода бутана могут образовывать аккуратный коротенький ряд (это бутан-топливо, оно используется в большинстве одноразовых зажигалок), или же они формируют Т-образную молекулу — изобутан, который находит повседневное применение в качестве безопасного хладагента. Пентан с пятью атомами углерода и 12 атомами водорода умеет формировать цепочку из пяти углеродных атомов, цепочку из четырех атомов с одной боковой ветвью, а также симметричный крест. У октана, компонента бензина из восьми атомов углерода, существуют 18 замечательных изомеров с различной топологией (один изомер, «основа» октанового числа бензина, имеет цепочку из пяти атомов углерода с тремя небольшими ответвлениями). Парафины развивают эту тему, гордясь углеводородной цепочкой, в которой от 20 до 40[33] атомов углерода — чем их в цепочке больше, тем выше точка плавления.

С пятью или более атомами углерода у вещества возникают новые возможности: эти атомы способны кружиться в хороводе элегантных кольцеподобных молекул{123}. Бензол, некогда используемый в качестве промышленного чистящего средства, ныне же известный как опасный канцероген, образует кольцо из шести углеродных атомов с отходящими от него подобно спицам в колесе шестью атомами водорода. Иногда кольца углерода сцеплены вместе — этот рисунок обнаруживается в большинстве частиц черной сажи. Нафталин, наиболее широко известный полициклический углеводород, соединяет в пару два таких кольца. У антрацена, распространенного компонента черного дыма, образующегося при сгорании древесного угля и дымлении дизеля, в молекуле прямая линия из трех связанных гексагональных колец, а пирен, еще один компонент сажи, представляет собой плотный кластер из четырех колец.

Иногда молекулы образуют изящные конструкции с причудливыми комбинациями цепочек, ветвей и колец — подобные структуры наблюдаются во многих жизненно важных молекулах от стероидов и витаминов до кирпичиков генетических молекул ДНК и РНК. Эти основанные на углероде молекулы могут расти все дальше и дальше, образуя десятки пяти- и шестичленных колец, связывающихся в цепи, другие кольца и кластеры. На самом деле разнообразию углеводородных молекул буквально нет конца, и более того, большинство из них горят.

Уголь, нефть и природный газ — все они изначально образуются из углеводородов. Эти ископаемые виды топлива преобразили человеческое общество и, к счастью или несчастью, продолжают оставаться нашими самыми дешевыми и самыми распространенными источниками химической энергии. Не так уж много планет помимо Земли, где углеводородные молекулы оказались способны создать хоть паршивенькое горючее. Поверхность гигантского холодного Титана (спутника Сатурна) подвергается воздействию углеводородных дождей, которые бомбардируют ее в периоды мощных циклонов{124}. Реки Титана и его огромные озера наполнены метаном и этаном. Вам удалось бы проплыть на лодке по метановым озерам Титана, но, если бы вы захотели зажечь там спичку (чего вы не смогли бы сделать, потому что там нет кислорода, порождающего огонь), ничего бы не случилось. Из-за отсутствия химического окислителя в атмосфере Титана углеводородный дождь просто погасил бы любое пламя.

Основной отличительный признак Земли — обилие атмосферного кислорода, угрожающе химически активного побочного продукта фотосинтеза. Кислород — элемент, исключительно жадный на электроны. В противоположность любой другой планете или ее спутнику в нашей Солнечной системе, если зажечь спичку здесь, на Земле, поблизости от летучих углеводородов, таких как природный газ, возникнут драматические и опасные последствия. В бурной взрывной окислительно-восстановительной химической реакции молекулы углеводородов стремятся отдавать электроны, вступая в контакт с кислородом, чтобы образовать два знакомых простых вещества: углекислый газ и воду. При этих быстро «вспыхивающих» химических реакциях вырабатывается много тепла и света — парадокс пламени как «хорошего слуги», но «плохого хозяина»[34]. Тысячи лет люди жили с одновременными существенными преимуществами и повсеместной опасностью открытого огня.

Тепло — это ключ к созданию новых материалов, а ископаемые виды топлива — жизненно важный источник преобразующего тепла. Большинство углеводородных видов топлива горят при высоких температурах — близких к 2000 °C, если речь идет о природном газе в конфорке вашей кухонной плиты или о бутане в вашей зажигалке (ваша индейка на День благодарения, напротив, печется в духовке при жалких 200 °C). Некоторые специфические задачи, такие как сварка и обрезка металла, требуют гораздо более горячего пламени в 3300 °C, которое вырабатывается кислородно-ацетиленовой горелкой. Тем не менее насыщенные углеродом ископаемые виды топлива мы извлекаем из земли не только ради их горения, но и для создания из них различных материалов. Уголь, нефть, битуминозные пески и природный газ часто являются исходным сырьем для изготовления большинства вещей, окружающих нас в повседневной жизни.

Такой разный углерод

Углеводороды населяют лишь крошечную область в обширном царстве органической химии. Земля производит миллионы разных видов богатых углеродом молекул, но на чем основано такое изобилие? Ответ лежит в уникальной способности углерода соединяться со многими химическими элементами — десятками разных обитателей Периодической таблицы, в том числе с самим собой. Большинство углеродных соединений в вашем теле содержат кислород. Азот, сера и фосфор также типичные компоненты самых важных кирпичиков жизни. Углерод с готовностью соединяется с металлами, такими как железо, титан и вольфрам, чтобы стать материалом для изготовления прочных твердосплавных деталей машин и абразивов, а также с неметаллами вроде фтора и хлора.

Получающиеся в результате углеродсодержащие химические вещества обеспечивают основу современной промышленности, которая базируется на углеводородах как наиболее существенном сырье. И здесь мы приходим к важному