Ферсман: Занимательная геохимия. Химия земли

УГЛЕРОД—ОСНОВА ВСЕГО ЖИВОГО

Относительное количество углерода на Земле невелико: оно составляет один процент веса земной коры. Но роль его в химии Земли огромна: без него невозможна жизнь.

Познакомимся же с историей углерода, того элемента, из которого построена живая материя, изучению которого посвящена целая отрасль химии. Сколько таинственного и неясного в путях его странствования в земной коре!

На самых первых стадиях его существования, доступных нашему исследованию, мы встречаемся с этим элементом в расплавленных магмах. То в виде листочков или шаровых скоплений графита, то в виде кристаллов драгоценного алмаза входит он в состав различных пород, застывших в глубинах и жилах из расплавленных масс. Но главная часть этого элемента ускользает из застывающих массивов: то в виде летучих углеводородов и карбидов поднимается он вверх по жилам, образуя скопления графита (например, на острове Цейлон), то, соединяясь с кислородом, в виде углекислого газа устремляется вверх.

Мы знаем, что в глубинах всемогущая кремнекислота недает возможности этому газу образовывать солей; и действительно, нам не известно ни одного сколько-нибудь важного минерала изверженных пород, который содержал бы угольную кислоту. Зато те же породы удерживают, ее механически в своих пустотах (так же, как они удерживали растворы солей хлора), и в этих газовых включениях накапливается в 5—6 раз большее количество угольной кислоты, чем то, которое входит в состав нашей атмосферы.

В областях вулканов, не только, действующих, но уже давно потухших,— еще в третичное время,— вырывается этот газ в атмосферу, то собираясь в отдельные газовые струи вместе с другими летучими соединениями, то смешиваясь с водой и образуя нарзаны. Человек использовал эти воды для лечения и устроил около них санатории и водолечебницы, например на Кавказе. Вода в них так перенасыщена углекислотой, что постоянно поднимающиеся к поверхности пузырьки ее создают впечатление, что вода кипит.

Но если бы вы побывали на Урале, то подобных теплых углекислых источников вы бы не встретили. Геохимия объясняет это различие в составе вод Кавказа и Урала тем, что Урал возник значительно раньше, чем Кавказские горы, и поэтому здесь в период образования гор подземные породы уже остыли.

На Кавказе же на значительной глубине под горами еще сохранился очаг тепла. Находящиеся вблизи этого очага породы, содержащие углекислоту (мел, известняки), под влиянием тепла частично разлагаются и освобождают газообразную углекислоту. Эта углекислота вместе с минерализованной водой поднимается вверх по трещинам.

Известны случаи, когда подземные струи углекислоты настолько мощны и выбрасываются под таким большим давлением, что на поверхности земли вследствие испарения их около выходов образуется туман и «снег» из твердой углекислоты. Подобную твердую углекислоту из природных струй местами используют для технических целей в качестве сухого льда.

Бывали периоды в истории земной коры, когда усилившаяся вулканическая деятельность выбрасывала в атмосферу колоссальные количества угольной кислоты; бывали и такие моменты, когда пышно развернувшаяся тропическая растительность в грандиозных размерах снова возвращала углерод в его самородное состояние. Перед этими процессами Земли бледнеет роль человека с его заводской и фабричной деятельностью.

Грандиозное количество углекислоты выбрасывается действующими вулканами, например Везувием, Этной, вулканом Катмаи на Аляске и другими. Главную массу выбрасываемых вулканами газов составляет углекислота.

Как могучий фактор химических превращений начинает угольная кислота на земной поверхности свое разрушительное действие; в противоположность глубинам, здесь она, а не кремневая, является госпожой положения: она разрушает изверженные породы, извлекает металлы, соединяется с кальцием и магнием, накапливаясь в виде известняков и доломитов; в колоссальных количествах собираются ее соли в водных бассейнах, и из них строят организмы свои раковины, из них строят кораллы свои могучие постройки.

Мы не можем в достаточной степени оценить значение этих медленных превращений углерода на земной поверхности, так как они не только влияют на климатический режим поверхности, но и обусловливают изменения в развитии всего органического мира.

Представьте на секунду, как бы выглядела Земля без углерода. Ведь это значит, что не было бы ни одного зеленого листа, ни дерева, ни травки. Не было бы и животных. Лишь голые утесы разнообразных пород торчали бы среди безжизненных песков и безмолвных пустынь Земли. Не существовало бы ни мрамора, ни известняков, украшающих своим белым цветом наши ландшафты. Не было бы ни угля, ни нефти. Если бы не было углекислоты, то и климат Земли был бы суровее и холоднее, так как углекислота в атмосфере способствует поглощению световой энергии солнца. Воды также были бы мертвы.

Химические свойства углерода очень своеобразны. Он единственный из элементов, который дает безграничное число соединений с кислородом, водородом, азотом и другими химическими элементами. Многие из этих углеродных или органических соединений составляют, в свою очередь, разнообразнейшие сложные белки, жиры, углеводы, витамины и многие другие соединения, входящие в состав тканей и клеток живых организмов.

Само название — «органические соединения» — указывает, что впервые с соединениями углерода человек познакомился, выделяя их из тканей растений и животных, как, например, сахар, крахмал, а затем научился делать и многие искусственные соединения. В настоящее время в органической химии, занимающейся химией углерода и его соединений, их синтезом и анализом, насчитывается свыше миллиона органических соединений. Для сравнения можно указать, что неорганических соединений, изготовляемых нашими лабораториями, насчитывается более тридцати тысяч, а природных неорганических соединений, или минералов,— менее трех тысяч.

Органических соединений так много, что приходится теперь их называть все более и более длинными и сложными названиями; например, известное лекарство от малярии акрихин имеет полное название: «метоксихлордиэтиламинометилбутил- аминоакрихин».

Благодаря свойствам углерода давать многочисленные соединения возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных, число которых составляет по меньшей мере несколько миллионов.

Но это не значит, что углерод составляет основную массу живых организмов, или, как говорят в геохимии, живого вещества. Углерода в них лишь около 10%; больше всего воды — до 80%, а все остальное — другие химические элементы.

Благодаря способности организмов питаться, развиваться и размножаться, через живое вещество в процессе жизни проходят огромные массы углерода. Вы видели много раз, как весной пруд начинает зарастать с поверхности зеленой пленкой водорослей и других растений, как летом эти водоросли достигают полного расцвета, а к осени буреют и опускаются на дно пруда, образуя донный ил, богатый органическим веществом. От него, как мы увидим дальше, берут начало угли и растительные илы — «сапропели», из которых можно получать синтетический бензин. Много углекислоты выделяют животные при дыхании.

Так, например, у человека поверхность всех легочных пузырьков составляет около 50 м2, и за сутки человек выдыхает в среднем 1,3 кг углекислого газа.

Все человечество ежегодно выдыхает в атмосферу Земли около миллиарда тонн углекислого газа.

Наконец, еще более гигантский запас углекислоты находится под землей в связанном состоянии, в виде известняков, мела, мрамора и других минералов, образующих мощные слои в сотни и даже тысячи метров. Если бы все это количество углекислоты, связанной в них в виде углекислого кальция и магния, мы могли бы возвратить в атмосферу, то углекислоты в воздухе стало бы в 25 тысяч раз больше.

Углекислота из атмосферы частично растворяется в воде мирового океана. Из воздуха и воды углекислота поглощается растительными организмами. По мере того как в воде океана ее становится меньше, новые количества ее поступают из воздуха. Океан действует на огромной своей поверхности, как грандиозный насос, поглощая, затягивая углекислоту.

Первоначальное вовлечение углекислоты в круг живого вещества осуществляют растения. Именно листья зеленых растений на свету улавливают углекислоту и превращают ее в сложные органические соединения. Этот процесс называется фотосинтезом и происходит при участии света и зеленого вещества растения — хлорофилла. Огромное значение фотосинтеза

в природе впервые выяснил и подробно изучил гениальный русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев. В течение года все растения успевают пропустить таким образом большое количество углекислоты, находящейся в атмосфере. Но этот недостаток непрестанно пополняется выделением углекислоты из водоемов и организмов животных.

В результате фотосинтеза образуются огромные массы органического вещества — ткани растений. Растения служат пищей животным, обеспечивая их существование и развитие. Если к этому мы еще добавим, что неф!и и угли создаются за счет погибших организмов, то станет ясным, какое значение для геохимии имеет поглощение углекислоты растениями. Нет реакции, более важной по своему геохимическому эффекту, чем реакция фотосинтеза у растений.

Как мы уже говорили, круговорот углерода не заканчивается образованием из углекислоты органических соединений в растениях, а затем и у животных. Организмы гибнут. Их тела, ткани, в виде отложений на дне прудов, озер, морей, отложений торфа, накапливаются в больших количествах. Эти остатки организмов подвергаются действию воды, процессов брожения и гниения. Бактерии резко изменяют состав тканей организмов. Наиболее упорно сохраняется клетчатка, лигнин растений.

Органические остатки покрываются толстым слоем песка, глины.

Затем из них под влиянием нагревания, давления и сложных химических процессов постепенно начинают образовываться каменный уголь или нефть, в зависимости от природы этих остатков и условий сохранения.

Твердый органический углерод, возникающий в результате процесса разложения растений, встречается в трех видах: в виде антрацита, каменного и бурого угля.

Наиболее богат углеродом антрацит. Изучение под микроскопом подтверждает первоначальную растительную природу и растительное происхождение каменного и бурого угля. Эти угли слоисты, и местами в прослойках можно увидеть даже невооруженным глазом отпечатки листьев, спор, семян. Каждый кусочек угля представляет собой часть того углерода, который когда-то в виде угольной кислоты был поглощен живой клеткой растения при участии энергии солнечного луча и хлорофилла.

«Пойманный солнечный луч»,— говорят про каменный уголь. И действительно, в каждом маленьком кусочке угля •сохраняется солнечный луч, пойманный растением, превратившийся сначала в сложную растительную ткань, а затем постепенно преобразованный в процессе медленного разложения. Его теплом согреваются котлы фабрик, заводов, морских пароходов, его энергия двигает колоссальные машины, его добыча определяет гигантское развитие современной промышленности.

Ежегодная добыча угля выражается грандиозной цифрой •более миллиарда тонн, что далеко превышает добычу любого другого полезного ископаемого. По разведанным запасам угля СССР стоит на втором месте в мире. Мы должны и дальше разведывать наши недра, чтобы увеличить реальные зашасы этого ценного вещества. Но каменный уголь дает не только тепло. Человек извлекает из него 'множество различных ценных продуктов, которые положили начало химической [промышленности угля. Из простого угля научились делать кокс, бензол, красители, пластические массы, аспирин, стрептоцид и т. д.

Если на образование угля использовались главным образом клетки тканей растений, то такое жидкое органическое вещество, как нефть, образовалось из других простейших организмов и их спор; следовательно, и эта горючая жидкость, еще более ценная, чем уголь, является своеобразным «пойманным солнечным лучом». Как и уголь, нефть пока больше всего используется как источник энергии. Продукты переработки ее — мазут, керосин, бензин — всем хорошо известны. Современные быстроходные корабли и авиация могут пока существовать только на нефти, очищенной и перегнанной в виде чистых сортов бензина. Но помимо этого, нефть и уголь дадут нам пеннейшие синтетические материалы —искусственные волокна, битумы, жиры, глицерин и т. д. Из некоторых сортов каменного угля научились получать искусственный бензин, но углей, пригодных для этой цели, не очень много, выход жидких продуктов мал, а по качеству искусственный бензин хуже. В погоне за нефтью люди бурят скважины иногда свыше четырех километров глубиной, извлекая из недр земли эту драгоценную жидкость, «черную кровь земли».

Скважина, добывающая нефть, действует по нескольку лет. На поверхности земли ставят сложное сооружение — вышку высотой в 37—43 м. Лес вышек нефтяного, роги на нефтепромысле «Лениннефтъ». промысла издали выглядит        Азербайджанская ССР

очень эффектно. Такие нефтяные промыслы имеются у нас на Кавказе, на западных склонах Урала (Башкирия), в Средней Азии и на Сахалине. Значительны и месторождения нефти в Иране, Месопотамии и в других странах земного шара.

Так из глубин углерод снова появляется на поверхности Земли; на этот раз его поднимает сам человек; и в постоянной борьбе за свое существование, за завладение природными запасами энергии человечество ежегодно сжигает более 700 миллионов тонн угля.

С целью получить тепло человек превращает все вновь в углекислоту и воду. Так борются между собой деятели различного порядка и различного значения, то окисляя углерод, то переводя его в самородное состояние.

Но, как мы уже говорили, вы все хорошо знаете, помимо угля, еще две интересные разновидности чистого углерода — алмаз и графит. Как не похож сияющий огнями драгоценный алмаз на простой серый графит, которым мы пишем! Различие в свойствах тел мы всегда объясняем различием в составе. Однако в данном случае разные свойства объясняются различным расположением атомов в кристаллах.

Алмаз может образоваться из расплавленной породы лишь при очень больших давлениях, достигающих 30, а может быть даже и 60 тысяч атмосфер.

Такие давления существуют лишь на глубине 60—100 км от земной поверхности. Очень редко породы с такой глубины выходят на поверхность, и этим можно объяснить, почему алмаз встречается исключительно редко. За твердость, .игру цвета он ценится очень высоко, как первоклассный драгоценный камень. Ограненный, шлифованный алмаз называется бриллиантом.

С давних пор Индия славилась своими алмазами, добываемыми из россыпей. Затем алмазные россыпи были открыты в Бразилии (1727 г.), в Африке (1867 г.) и у нас, в Советском Союзе Главная масса алмазов в настоящее время добывается из африканских месторождений, открытых в долине реки Ваал, правого притока реки Оранжевой.

Сначала их добывали из россыпей речной глины, но скоро обнаружили, что они есть и в голубой глине на пологих холмах вдали от речки. Стали разрабатывать голубую глину, началась «алмазная лихорадка»: по цене, взвинченной в миллионы раз, покупали участки голубой глины величиной всего 3X3 метра и копали ямы огромной глубины. В ямах, как муравьи, копошились люди, добывая породу. Чтобы вывозить драгоценную глину, в ямы протянули проволоки подвесных дорог.

Однако уже на небольшой глубине глина исчезла и показалась твердая зеленая порода — кимберлит. В ней также были алмазы, но добывать их стало труднее, и мелкие собственники принуждены были отказаться от такой трудоемкой и дорогостоящей разработки. После некоторого периода бездействия крупное акционерное общество снова возобновило добычу уже при помощи шахт.

Алмазоносная порода уходит в землю на недосягаемую глубину. Она заполняет каналы, образовавшиеся во время вулканических взрывов.

Известны десятки воронок от таких взрывов; наибольшая из них имеет 350 метров в поперечнике, остальные — от 30 до 100 м.

Алмазы в кимберлите вкраплены очень мелкими зернами, менее 100 миллиграммов (или полкарата) весом. Но иногда попадались и крупные камни. Долгое время самым большим был «Эксцельсиор», весивший 972 карата, или 194 грамма. В 1906 г. нашли еще больший, названный «Кюллинан»,— его вес 3 025 каратов, или 605 граммов. Камни более 10 каратов редки и дорого ценятся. Самые знаменитые бриллианты

Месторождения алмазов мирового значения открыты у нас в Якутии в 1954 г.— Ред.

Кристаллы алмазов среди зерен концентрата, полученного в результате обогащения кимберлита. Якутская АССР

.весят от 40 до 200 каратов. Рядовые алмазы — крошки, так же как черная разновидность — «карбонадо» или алмазные кап- ;ли — «баллас», также высоко ценятся, так как используются ?в технике для сверления и бурения горных пород. Довольно крузщые камни нужны для волочильных станков, приготовляющих вольфрамовую нить для электрических лампочек.

Графит — тот же углерод; но как отличен он по своим свойствам от длмаза!

Его атомы легко отделяются друг от друга по плоскостям. Этот мягкий минерал с металлическим блеском непрозрачен, легко распадается на листочки и оставляет след на бумаге. Графит плохо соединяется с кислородом и может переносить очень высокую температуру, являясь своеобразным огнеупором.

Происхождение его двояко: он образуется или вследствие разложения углекислоты, выделяющейся из магмы при образовании изверженных пород, или при видоизменениях каменного угля. Знаменитое месторождение первого типа находится в Сибири. Среди застывшей изверженной породы — нефелинового сиенита — здесь лежат линзы очень чистого графита. В бассейне же Енисея залегают огромные пласты графита. Он образовался здесь из каменного угля и содержит много золы.