Химический состав Земли и внеземных объектов

Геохимические процессы, протекающие в недрах Земли и на ее поверхности, представляют собой превращения сложных соединений и смесей, состоящих из кристаллических и аморфных фаз. Многие из них протекают при очень высоких давлениях и температурах. Современные технические средства эксперимента позволяют воспроизвести в лаборатории условия, близкие к условиям внутри Земли и даже земного ядра. Природные процессы: кристаллизация, частичное растворение, изменение структуры минералов (метаморфизм), выветривание и т. п. — приводят к образованию рудных отложений или к их разрушению и рассеянию.

Химия внесла и вносит существенный вклад в исследование космического пространства благодаря созданию ракетного топлива и современных материалов, способных выдержать огромное давление, высокую температуру и интенсивное космическое излучение, электрохимических источников энергии, разнообразных химических средств для обеспечения питания космонавтов. Космос с давних пор стал объектом химических исследований. На стыке химии и астрофизики зародилась новая отрасль естествознания — космохимия, изучающая состав космических тел, законы распространенности элементов во Вселенной.

Большой интерес для космохимии представляют метеориты: они дают необходимую информацию об эволюции небесных тел, находящихся на разных стадиях развития. При этом важную роль играет анализ изотопного состава многих металлов и газообразных веществ, найденных в метеоритах. Первые результаты о химическом составе небесных тел получены с помощью спектрального анализа. В химических лабораториях, кроме того, исследовался состав метеоритного вещества. Состав метеоритов оказался единообразным, как если бы они происходили из одного и того же рудника. До сих пор ни в одном метеорите не найден химический элемент, который не встречался бы на Земле! С помощью самых точных методов анализа в метеоритах обнаружены почти все известные на нашей планете химические элементы. Характерная особенность большинства метеоритов заключается в том, что они содержат много чистого железа и очень мало наиболее распространенного на Земле кварца. Вещества, которые указывали бы на существование жизни в космосе, пока не найдены, хотя углерод обнаружен в виде крошечных алмазов, графита и аморфного угля. Относительно недавно появилось сообщение об обнаружении бактериоподобной структуры в метеорите с Марса, что является предметом дальнейшей дискуссии о существовании жизни на этой планете в далеком прошлом.

Наиболее часто встречающиеся каменные метеориты, как и большинство земных пород, состоят в основном из силиката магния. Железные метеориты содержат до 90% железа, 6−20% никеля. Кроме того, метеориты содержат кобальт, медь, хром, фосфор, серу, платину, палладий, серебро, иридий, золото и другие элементы. Встречаются включения газов: водорода, оксида и диоксида углерода.

Прямая геологическая разведка небесных тел началась 21 июля 1969 г., когда человек впервые ступил на поверхность Луны и взял пробы лунного грунта. Результаты анализа показали, что за исключением несколько повышенного содержания тугоплавких соединений титана, циркония, хрома и железа, лунные породы по своему составу очень похожи на земные. Некоторые различия выявились в свойствах металлов. Так, лунное железо ржавеет медленнее, чем земное. В верхнем слое лунного грунта обнаружен удивительный минерал, получивший название реголит, имеющий сравнительно низкую теплопроводность.

Продолжается исследование планет Солнечной системы. С помощью космического зонда, отправленного к Венере, в результате гамма-спектрального анализа установлено, что грунт Венеры по химическому составу соответствует граниту.

Вещество, находящееся в межзвездном пространстве, состоит из газа и пыли. Наиболее распространенными газами в космическом пространстве являются водород (70%) и гелий (28%). В газовых межзвездных облаках обнаружено более 20 химических компонентов. Наряду с простыми химическими соединениями (СО, Н2, HCN, Н2О, NH3) в 200 космических газовых скоплениях найдены и более сложные соединения — метанол, изоциановая кислота, формальдегид, метил-ацетилен и ацетальдегид. Относительно недавно обнаружены молекулы этилового спирта, муравьиной кислоты.

Исследования космохимии носят преимущественно познавательный характер, но нельзя исключать, что в будущем они обретут практическую значимость. Тем не менее, уже получены некоторые важные для практики результаты. Например, для химико-фармацевтической промышленности представляет практический интерес более интенсивное развитие бактериальных культур в невесомости, чем на Земле. Металлурги могут получить в невесомости сплавы с уникальными свойствами. Весьма перспективно выращивание в космосе бездефектных монокристаллов, особенно оксидов металлов. По-видимому, в XXI в. будет развиваться новая отрасль естествознания — химия космического синтеза.

Основная масса сырья для химической промышленности добывалась и добывается из поверхностного слоя земной коры. Доступная современным средствам массовой добычи толщина верхнего слоя земной коры не превышает 2 км. Вещество поверхностного слоя состоит в основном из восьми химических элементов:

кислород (47,0%),.

кремний (27,5%),.

алюминий (8,8%),.

железо (4,6%),.

кальций (3,6%),.

натрий (2,6%),.

калий (2,5%),.

магний (2,1%).

Среднее содержание химических элементов в земной коре хотя и абсолютно велико, но слишком мало для рентабельной повсеместной добычи ввиду их рассеянности. Рентабельны лишь те месторождения, где сосредоточены существенные запасы тех или иных полезных ископаемых. Они встречаются редко и неравномерно распределены по земному шару. Ни одна страна планете не располагает всеми необходимыми видами природного сырья достаточном количестве. Тем не менее, на территории России находятся многие месторождения наиболее важных видов ценного природного сырья: железных руд, нефти, природного газа, каменного угля и др.

Запасы природного сырья, интенсивно добываемого современными техническими средствами во всем мире, быстро исчерпываются — ресурсы Земли хотя и очень велики, но ограничены. Наряду с этим, химические элементы в природе, как бы интенсивно они ни эксплуатировались, не уничтожаются, а переходят в различные соединения, но становятся мало пригодными для экономического оборота.

Решающую роль в сбережении природных ресурсов должны сыграть новейшие химические технологии. Можно привести примеры, когда они спасали от кризиса промышленное производство. Один из них связан с внедрением содовой технологии в 1789 г. во Франции, которая направила в новое русло производство стекла. До ее внедрения применялось калиевое сырье, вырабатываемое из древесины, что привело к почти полному истреблению лесных массивов. Таким образом, новая технология способствовала, с одной стороны, развитию производства стекла, а с другой — сохранению леса.

Ограниченность природных ресурсов в богатых месторождениях и возрастающая их потребность уже сегодня приводят к необходимости:

осваивать морские шельфы, и добывать сырье, содержащееся в морской воде;

разрабатывать бедные месторождения;

увеличивать объемы утилизации отходов;

ускорить замену дефицитного сырья.

Весьма перспективен для добычи морской шельф, находящийся на глубине до 200 м. Подводные окраины материков, общая площадь которых чрезвычайно велика, в ближайшем будущем станут основным источником многих видов природного сырья.

Металлы. В недрах Земли содержится сравнительно большое количество металлов, но их доля в соединениях, из которых они извлекаются для промышленной переработки, весьма ограничена. При современных темпах и масштабах добычи, по предварительным оценкам, основные запасы таких металлов, как свинец, медь, золото, цинк, олово, серебро и уран, уже в ближайшие десятилетия могут быть исчерпаны. В то же время железо, марганец, хром, никель, молибден, кобальт и алюминий будут добываться в достаточном количестве даже в середине XXI в.

Самое необходимое, важное и широко потребляемое из всего металлического сырья железо занимает четвертое место по распространенности в земной коре. Его разведанные и используемые мировые запасы составляют примерно 100 млрд. т. Наибольшими запасами железных руд располагают Россия (примерно 40% всех руд), Австралия, Канада, СЩА и Бразилия. В одной только Курской магнитной аномалии сосредоточено около 30 млрд, т железных руд, т. е. почти треть мировых запасов.

Медь — второй по практической значимости металл. Около 37% его месторождений находится в Чили. Запасы меди весьма ограничены: в известных месторождениях они составляют 210−250 млн.т. При современных темпах потребления ее запасы в ближайшем будущем будут исчерпаны.

Медь как электропроводящий материал можно заменить легким металлом — алюминием, которому принадлежит третье место по распространенности в земной коре. Хотя в целом запасы алюминия велики — около 8,8% массы земной коры, однако только 0,008% этой массы содержится в бокситах; их мировые запасы — 6 млрд. т. Примерно треть из них сосредоточена в Австралии. При ежегодном производстве алюминия 15−30 млн. т и темпах его роста до 9% в год запасов бокситов хватит надолго.

Запасы еще одного важнейшего легкого металла — магния — достаточно велики (около 2,1% массы земной коры), и с учетом сегодняшних потребностей их хватит на сравнительно долгое время.

Титан — коррозионностойкий материал. Иногда его считают достойным соперником алюминия и стали. Применение титана в химической промышленности за последние десятилетия резко возросло.

Углерод. Углерод по распространенности в природе занимает тринадцатое место. На его долю приходится 0,087% массы земной коры, из которых около 99,5% содержится в карбонатных породах (карбонатах кальция и магния), 0,47% составляет диоксид углерода в атмосфере и в воде, 0,02% приходится на уголь, нефть и газ и 0,01% - на биосферу.

Рациональное использование запасов углерода возможно при выполнении следующих условий:

химические технологии должны обеспечить синтез разнообразных необходимых соединений из любого имеющегося углеродного сырья;

для химической промышленности следует применять огромные запасы повсеместно встречающихся карбонатов;

для энергетики нецелесообразно потреблять углерод, связанный в органические ископаемые соединения.

В действительности же и энергетика, и химическая промышленность интенсивно потребляют горючие ископаемые: уголь, нефть и природный газ. Причем производство углеводородов из нефти и газа экономически гораздо более выгодно, чем из угля. Производительность труда в нефтехимии примерно в 12−16 раз выше, чем в химии карбонатов. Быстрыми темпами растет потребление природного газа. Он используется для производства электроэнергии и бытовых нужд, а также как сырье для промышленного производства ацетилена, формальдегида, метанола, синильной кислоты, водорода и т. д.

На смену нефти и природному газу придет уголь, и лидирующее место займут химические технологии по переработке угля. Уже разработаны способы эффективного производства моторного топлива и других химических продуктов при переработке угля. Запасы угля гораздо больше, чем нефти и природного газа, но все же они ограничены.

Чего же следует ожидать после истощения богатых ресурсов природного газа, нефти и угля? Вероятно, углерод будет извлекаться и из карбонатов, когда их химическое превращение станет энергетически выгодным. Уже наметились пути уменьшения затрат энергии при их переработке. На стадии разработки находится каталитический метод превращения углекислого газа СО2 воздуха в полезные органические соединения без высоких температур и давления. Не следует забывать об углероде, накопленном в биосфере. Растительный мир Земли можно рассматривать как непрерывно работающие химические фабрики, потребляющие энергию Солнца и благодаря фотосинтезу производящие многие органические вещества естественного происхождения. При рациональном потреблении продукции таких фабрик хватит на продолжительный срок.

Основную массу природного органического сырья, потребляемого для производства тепла, электроэнергии и разнообразной химической продукции, составляют горючие вещества: нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, смоляные пески, торф, биомасса и древесина.

Нефть. Вплоть до середины XIX в. нефть использовалась преимущественно как колесная мазь и в лечебных целях. В 1860 г. мировая потребность в ней составляла около 70 тыс. т. К концу XIX в. она возросла до 21 млн. т и через 75 лет — до 2730 млн. т. В последние десятилетия потребление нефти в мире постоянно увеличивалось. Разведанные запасы нефти на конец 1974 г. оценивались в 97 млрд. т, а к началу 90-х годов XX в. — около 600 млрд. т. По некоторым оценкам, в 2000 г. разведанные запасы приблизились к 800−1000 млрд. т. В 2000 г. добыча нефти в России составила около 300 млн. т. Потребность в нефтепродуктах продолжает возрастать. Предполагается, что при нынешних темпах добычи и потребления запасов нефти хватит до 2050 г.

Значительная доля нефти расходуется на производство топлива для различных энергоустановок, в том числе и для транспорта.

Добычу нефти осуществляют в три этапа. На первом этапе извлекается 10−30% нефти при естественном давлении из природного резервуара, заполненного сложными образованиями из пористых пород. На втором этапе при закачивании в скважины воды, газа или пара нефть выталкивается на поверхность, что позволяет получить дополнительно до 35% разведанных запасов. На третьем этапе применяют поверхностно-активные вещества и полимерные растворители для извлечения нефтяных фракций из водной среды.

Сырая нефть чаще всего представляет собой маслянистую жидкость, состоящую преимущественно из сложной смеси углеводородов — алканов с линейной структурой и в основном с одинарными связями. Кроме алканов нефть содержит разветвленные и циклические углеводороды, а также алкены и ароматические вещества.

Процесс переработки нефти, называемый крекингом, начинается с перегонки, при которой различные компоненты нефти разделяются на фракции в соответствии с их температурой кипения. Вначале извлекаются наиболее летучие углеводороды, один из них октан C8H18. По октановому эквиваленту оценивается качество моторного топлива. В процессе переработки удаляются различные примеси, включая серу, и в результате каталитического крекинга производится расщепление больших молекул, при котором образуются соединения с более низкой температурой кипения.

Для переработки нефти используются катализаторы из платины, палладия, родия и иридия. С применением платинового катализатора алканы превращаются в углеводороды с лучшими горючими свойствами и большим октановым числом. Относительно недавно освоены новые каталитические процессы с применением цеолитовых молекулярных сит (алюмосиликатов). В последнее время в добываемой нефти возрастает доля нефти с относительно большой концентрацией примесей серы, хлора, ванадия, никеля и др., затрудняющих процесс катализа. Поэтому технологический цикл переработки нефти необходимо совершенствовать, чтобы производить высокооктановое топливо, продукты сгорания которого не загрязняли бы окружающую среду.

В результате переработки нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них — этилен, пропилен, бутадиен, изопрен, ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом. На основе этих соединений синтезируются тысячи видов промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90%всех органических соединений производится из нефти и природного газа.

Уголь. Мировые запасы доступного для разработки угля в 20−40 раз превосходят нефтяные ресурсы. Например, в США угля в 50−100 раз больше, чем нефти. Уголь — наиболее распространенное в природе минеральное топливо, роль которого в ближайшие десятилетия будет расти по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. По прогнозам ученых, запасов каменного угля должно хватить примерно на 150 лет. Поэтому повысится и практическая значимость прикладных исследований, направленных на разработку эффективных и экологически чистых способов переработки ценного угольного сырья. Экономически выгодная широкомасштабная переработка угля в эффективное топливо позволила бы сохранить нефть для производства многих видов сырья для химической промышленности и сократить потребление нефтепродуктов в качестве топлива. С развитием химической технологии уголь станет одним из важнейших источников сырьевых продуктов, которые в настоящее время получают в основном из нефти.

Уголь — твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения, содержит кроме углерода и водорода, серу и азот, а также некоторое количество минералов и влаги. Соотношение водород/углерод в угле примерно равно единице, что вдвое меньше, чем в бензине, поэтому как топливо уголь менее эффективен. При химической переработке угля вначале из него удаляются сера, азот и неорганические примеси. Затем уголь превращается в жидкий синтез-газ — смесь монооксида углерода (СО) и водорода.

Производство синтез-газа пока экономически невыгодно. Тем не менее, промышленная переработка угля уже достигала крупных масштабов. Так, во время Второй мировой войны в Германии, лишенной доступа к источникам нефти, из угля получено 585 тыс. т углеводородного топлива. Синтез-газ превращался в моторное топливо с помощью кобальтового катализатора. В недалеком прошлом в ЮАР около 40%топлива (1 750 тыс. т в год) производилось из угля с применением железного катализатора.

Природный газ. Один из важнейших источников энергоресурсов и химического сырья — природный газ — представляет собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой. Состав природного газа весьма разнообразен. Обычно он содержит 60−80% метана, остальное приходится на этан С2Нб, пропан СзН8 и бутан С4Н10, соотношение которых может быть различным. В природном газе есть и примеси, включающие серу, азот и другие вещества. Обычно этан и пропан каталитически превращают в этилен С2Н4, пропилен СзН6 и ацетилен С2Н2 — ценное химическое сырье для производства разнообразной полезной продукции.

По оценке Международного газового союза, общие разведанные запасы природного газа на начало 1999 г. составили около 260 трлн. м3. Предполагается, что к 2015 г. ежегодная мировая потребность в газе достигнет 3,7 трлн. м3, что на 80% больше, чем в 1990 г. Разведанные запасы природного газа в России составляют около 50 трлн. м3, а ежегодное его потребление — 570−600 млрд. м3.

Природный газ легко транспортируется по трубопроводу. В последние десятилетия его потребление резко возросло. Значительная доля мировых ресурсов природного газа принадлежит России. Его запасы, например в США, несколько превосходят запасы нефти. Во всем мире источники природного газа быстро истощаются и при нынешних темпах использования запасы природного газа иссякнут через 80 лет.