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

осознанию: рано или поздно нам придется прекратить сжигать уголь и нефть. Можно упомянуть окружающую среду, если хотите, — и будьте уверены, беспокойство по поводу воздействия на нее горящих ископаемых видов топлива вполне обоснованно, — но сущая правда заключается в том, что углерод-углеродные соединения в угле и нефти в конечном счете станут слишком ценными, чтобы их спалить. Эти вездесущие связи между атомами углерода — самая главная химическая характеристика нашего материального мира. Они лежат в основе почти каждого продукта, который мы потребляем в повседневной жизни. Наша планета обеспечила нас многими альтернативными видами энергии: в изобилии присутствуют солнечный свет, непрекращающиеся ветры, возобновляемые виды биотоплива, бьющиеся о берег волны, неистощимое геотермальное тепло и полные сил ядерные реакции радиоактивного урана. А виды топлива, основанные на углероде, напротив, представляют собой незаменимое сырье для нашего процветающего материального мира.

СКЕРЦО — Полезные вещества

Горячие

Огонь, круто! Огонь — это ключ к переработке угля и нефти, которые сами по себе не более чем богатые остатки погребенной жизни, высушенные и сжатые в сложные смеси бесчисленных тысяч различных молекул{125}. Большинство молекулярных компонентов — невелики по размеру, это знакомые нам горючие углеводороды: метан, этан, пропан, октан. Другие — крупные сложные молекулы, которые могут похвастаться десятками атомов углерода в соединении с кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Суть переработки заключается в нагревании этого зловонного черного химического рагу в высоком сегментированном цилиндре, который гораздо горячее снизу, чем сверху. Вы замечаете эти бросающиеся в глаза ректификационные колонны каждый раз, когда проезжаете мимо химических предприятий, ощетинившихся рядами металлических труб, часть которых пылает сверху — это сжигаются небольшие излишки метана, т.е. то количество природного газа, которое инженеры-химики считают слишком скудным для получения прибыли. В каждой из этих башен проходят многочисленные этапы химического процесса сепарации.

Когда смесь ингредиентов в колонне нагревают, каждый молекулярный компонент достигает своей точки кипения на разной высоте. На следующих один за другим уровнях из колонны выступает сложная система труб — каждая труба «извлекает» и собирает свой продукт, таким образом дистиллируя разнородную черную жидкость поэтапно. Меньшие молекулы обычно кипят при более низких температурах, поэтому они собираются в верхней части колонны — пропан и бутан поблизости от наиболее холодной верхней ее оконечности, бензин и керосин — в середине колонны, а плотный тягучий жидкий асфальт и парафины сливают с более горячего ее дна. Нефтеперегонные заводы соединяют ректификационные колонны в тщательно продуманном химическом танце, где каждая колонна выполняет отдельный этап основной задачи отбора и концентрации важных органических химических веществ.

После того как все эти разнообразные углеродсодержащие молекулы проходят перегонку и очистку, к ним применяется множество химических трюков для получения новых соединений: различные химические вещества сливают в большие чаны и реторты, перемешивают, сжимают, добавляют необходимые реактивы, возможно, даже щепотку катализатора, а затем «варят» при нужной температуре. Разные рецепты складываются в целые кулинарные книги, полные предложений полезных синтетических блюд.

Для современной жизни крайне важны из них полимеры — пластики под названиями ПЭТФ и ПВХ, синтетические волокна нейлон и вискоза, краски, клеи, резина и сотни других химических продуктов, которые играют самые разнообразные роли в нашей повседневности.

Все эти материалы содержат бесчисленные небольшие молекулы, связанные друг с другом и формирующие длинные цепи с углеродными «хребтами». Жизнь тоже научилась этим химическим приемам: кожа, волосы, мышцы, сухожилия и связки — все это биополимеры. То же верно для листьев и стеблей, корней и древесины, волокон водорослей и нитей паутины. А ловкие химические манипуляции добавляют в копилку мириады углеродсодержащих соединений, таких как воск и резина, жиры и растительное масло, смазки и клеи, косметика и лекарства.

Взгляните на упаковку ваших любимых снеков. Все, что мы едим, содержит множество углеродсодержащих молекул: среди них аминокислоты — структурные элементы белков; липиды — компоненты жиров и растительных масел; углеводороды, куда входят сахара, крахмал и пищевые волокна. Углерод обеспечивает нам шипение газированной воды и алкогольное опьянение от выпивки.

Давайте исследуем некоторые свойства углеродных соединений, которые делают их такими важными для повседневной жизни.

Холодные

Химия углерода, которая предлагает нам самое жаркое пламя, также является самым эффективным портативным источником холода. Углекислый газ CO2 сублимируется при -78,5 °C, превращаясь в бесцветное твердое вещество, уже упоминавшийся сухой лед. Этот лед называется сухим из-за своего необычного свойства превращаться из твердого тела сразу в газ. В отличие от воды, у углекислого газа нет жидкой фазы, по крайней мере при атмосферном давлении. Так что вам не удастся перелить холодный углекислый газ из одного контейнера в другой, но вы можете переносить его в виде удобных замороженных кубиков.

Сухой лед достаточно широко применяется, в основном в пищевой промышленности. Холодильник даже не нужен — чтобы замораживать пищу, газировать напитки, делать мороженое и перевозить скоропортящиеся продукты, вы можете использовать CO2. Замороженный углекислый газ находит оригинальное применение и в борьбе с насекомыми, потому что ледяной CO2 привлекает комаров и постельных клопов, они собираются вокруг кусочка сухого льда и замерзают до смерти. Водопроводчики используют переносные упаковки сухого льда, чтобы обкладывать медные трубы, таким образом создавая пробки из замерзшей воды, когда нет запорного клапана. Врачи замораживают и удаляют бородавки, специалисты по охране окружающей среды замораживают и ликвидируют утечки нефти, пожарные используют гранулы сухого льда и огнетушители на углекислом газе, чтобы бороться с пожарами, одновременно охлаждая и подавляя пламя.

Замороженный углекислый газ также играет свою уникальную роль во время сценических шоу, порождая таинственную пелену. Бросьте кусочки сухого льда в воду, и вы создадите плотный, стелящийся по земле туман, идеальный для зловещих ночных эффектов. Чего зрители не видят, так это каким промозглым может быть подобное явление, когда холодный сублимирующийся CO2 понижает значение точки росы и насыщает более плотный холодный воздух водяным паром. Я помню, как однажды играл в небольшом оркестре во время такого шоу, когда слишком сильный эффект сухого льда вызвал обильный туман, который перелился через край сцены и быстро заполнил оркестровую яму. Какое-то время мы играли буквально вслепую. Липкий насыщенный влагой воздух конденсировался на всем, оставляя скользкий мокрый след на полу, стульях, пюпитрах и инструментах.

Клейкие

Свойства материалов зависят от составляющих их атомов и того, как они соединяются друг с другом. Возьмем, например, клей. Признак хорошего клея — прилипание практически ко всему. На уровне атомов — большинство свойств материала берет начало именно здесь