Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Наши ученые пытались в последние годы понять – в чем же разгадка замечательной прочности, которую придает кремний скелетам животных и растений, тысячам минералов и горных пород, самым тонким изделиям техники и промышленности?

И когда глаза наших рентгенологов проникли в глубины этих кремневых соединений, открылись замечательные картины, которые помогли найти причину их прочности и загадку их строения.

Оказалось, что кремний находится в них в виде мельчайших заряженных атомов – ионов ничтожных размеров, в два с половиной раза меньше, чем одна стомиллионная часть сантиметра.

Эти маленькие заряженные шарики соединяются с такими же заряженными шариками кислорода, но больших размеров. В результате вокруг каждого из них теснейшим образом располагаются четыре шарика кислорода, соприкасаясь друг с другом, и получается особая геометрическая фигура, которую мы называем тетраэдром[20]20
  В кристаллографии различают кубический, тетрагональный и ромбический тетраэдры, грани которых – равносторонний, равнобедренный и разносторонний треугольники. Здесь идет речь о кубическом тетраэдре. – Науч. ред.


[Закрыть].

Расположение атомов кремния (белые шарики) и кислорода (черные) в кристалле кварца. Атомы кислорода связывают всегда два атома кремния

Тетраэдры сочетаются друг с другом по различным законам, и из них вырастают сложные большие постройки, которые очень трудно сжимать или сгибать и в которых необычайно трудно оторвать атом кислорода от центрального атома кремния.

Современная наука выяснила, что возможны тысячи таких сочетаний тетраэдров между собой.

Иногда между ними располагаются другие заряженные частицы; в некоторых случаях наши тетраэдры сочетаются в отдельные полоски и пленки, создавая глины и тальки, но всегда и всюду в основе их строения лежит сочетание тетраэдров.

И подобно тому как углерод с водородом образуют сотни тысяч разнообразных соединений в органической химии, так в неорганической химии кремний с кислородом образуют тысячи построек, сложность которых раскрыта рентгеновским лучом.

Кремнезем не только трудно разрушается механически, он не только так тверд, что острый стальной нож не может взять его, но он прочен и химически, так как ни одна кислота, за исключением плавиковой, не может разрушить или растворить его, и лишь сильная щелочь несколько растворяет его[21]21
  Кремнезем легко сплавляется с содой, причем угольная кислота из соды выделяется очень бурно, и образуется прозрачный шарик силиката натрия, растворяющийся в воде. Поэтому мы называем его растворимым стеклом.


[Закрыть], превращая в новые соединения. Он очень трудно плавится и только при 1600–1700° начинает переходить в жидкое состояние.

Таким образом, не удивительно, что кремнезем и его разнообразные соединения являются основой неорганической природы. В наше время возникла целая наука о химии кремния, и на каждом шагу все пути геологии, минералогии, техники и строительства переплетаются с историей этого элемента.

Проследим же теперь на отдельных примерах судьбу кремния в земной коре. Он образует с металлами основу расплавленной магмы в глубинах земной коры. И когда эта расплавленная магма застывает в глубинах, образуя кристаллические горные породы – граниты, габбро, или выливается на поверхность в виде лавовых потоков, базальта и других пород, возникают сложные соединения кремнезема, или силикаты. Если же кремния избыток, то появляется и чистый кварц.

Вот они – коротенькие кристаллы кварца в гранитных порфирах или густые дымчатые хрустали в пегматитовых жилах, последних остатках глубинных расплавов Земли. Надо осторожно запечь в хлебе кусочек такого «дымчатого топаза»[22]22
  Название не совсем точное, так как «дымчатый топаз» – это по составу просто кварц SiO₂, а не настоящий топаз, состав которого более сложен; в него входят кремний, алюминий и фтор с кислородом – Al₂F₂(SiO₄).


[Закрыть] или нагреть его до 300–400°, чтобы получить «золотистый топаз», который и пойдет в огранку на бусинку или брошку.

Вот кварцевые жилы со сплошным белым кварцем[23]23
  Белый цвет обусловлен не примесными атомами-хромофорами, а рассеянием света на мельчайших газово-жидких включениях материнских гидротермальных растворов. – Науч. ред.


[Закрыть]. Мы знаем, что некоторые из них тянутся на сотни километров. Грандиозные кварцевые жилы стоят, как маяки, на склонах гор Урала. Здесь на много сотен километров протягиваются жилы с пустотами, заполненными прозрачным горным хрусталем. Это и есть те чистые прозрачные разновидности кварца, о которых писал греческий философ Аристотель, давший им название «кристалл» и связывавший происхождение горного хрусталя с окаменелым льдом. Это тот горный хрусталь, который уже в XVII веке добывался из природных «погребов» Швейцарских Альп, причем из отдельных пустот добывалось до 500 тонн горного хрусталя, то есть до 30 вагонов.

Отдельные кристаллы иногда достигают грандиозных размеров. На Мадагаскаре был найден кристалл горного хрусталя, который имел в окружности 8 метров. Японцы выточили из прозрачного горного хрусталя Бирмы огромный шар – больше одного метра в диаметре, который весил почти полторы тонны.

Другой вид кремнезема, совсем не похожий по внешнему виду на тот, о котором мы только что говорили, отлагается из расплавленной лавы, когда горячие пары, насыщенные кремнеземом, осаждают в отдельных жилах или газовых пустотах громадные массы кремнистых желваков и жеод. И когда начинается разрушение породы в глинистую дресву, из нее как бы выкатываются грандиозные шары до одного метра в диаметре.

В штате Орегон в США их называют «гигантскими яйцами» или «яйцами-великанами». Их разбивают на куски и потом распиливают на тонкие пластины для получения прекрасных слоистых агатов – сырья для «камней» к часам и другим точным приборам, для призм весов, для ступочек химических лабораторий. Иногда и после прекращения вулканической деятельности, в связи с наличием остывающих изверженных масс, кремнезем выносится горячими ключами на поверхность земли. Таково, например, происхождение отложений «неблагородного опала» гейзерами в Исландии и в Йеллоустонском национальном парке США.

Посмотрим на белоснежные пески дюн побережья Балтики и северных морей, на миллионы квадратных километров песчаных пустынь Средней Азии и Казахстана; песок – вот что определяет природу берегов морей и пустынь; кварцевый песок то с красной пленкой железных окислов, то с преобладанием черного кремня, то чисто белый, очищенный морской волной.

А вот нарядные изделия из горного хрусталя. Искусный мастер китаец при помощи разнообразных скребков и наждачного порошка создал фантастические изделия из кристаллов кварца.

Осадки гейзерита – «неблагородного опала» – образуют террасы кремнистого туфа. Гейзер «Мамонт» в Йеллоустонском парке. США

Агат

Сколько десятков лет затратил он, чтобы выточить вазочку из горного хрусталя, сделать чудовищного дракона или выдолбить маленький флакончик для розового масла?

А вот агатовая пластинка; она окрашена разными красками. Изобретательный человек научился пропитывать ее различными растворами и из серого, невзрачного агата получать гладкие, ярко окрашенные пластинки для изделий.

Но вот перед нами еще более удивительные картины: целые древние леса окаменелого дерева в Аризоне, каменные древесные стволы из чистого кремнезема – агата в западных областях Украины, а также среди пермских отложений западного склона Южного Урала.

Вот искристый, переливающийся камень, напоминающий «огонь» кошачьего или тигрового глаза. Вот таинственные кристаллы, внутри которых, как «привидение», просвечивают как бы другие кристаллы того же кварца. Вот острые красно-желтые иголки минерала рутила прорезают в разных направлениях кристаллы горного хрусталя – «стрелы Амура».

Вот тонкий золотистый войлок – «волосы Венеры». Вот замечательный камень с пустотой внутри, почти сплошь заполненной водой. Вода переливается и играет внутри кремневой скорлупы.

Вот невероятно извилистая трубка – это результат действия молнии на кварцевый песок, сплавленные фульгуриты, «стрелы неба», или «громовые стрелы», как они называются часто народом. А вот камни с неба. Своеобразные богатые кремнеземом метеориты из зеленого или бурого стекла[24]24
  Их общее название – тектиты. Для различных образцов предполагается метеоритное, астероидное, кометное или земное импактное происхождение. Называются по месту находки: бедиаситы, георгианиты, молдавиты, ивориты, яваниты, австралиты, филиппиниты, индокитаиты, ливийское стекло, иргизиты, жаманшиниты, нижегородские тектиты, канскиты, протваниты и др. Доказанный возраст – от 36 млн лет (бедиаситы) до 800 тыс. лет (иргизиты и жаманшиниты). – Науч. ред.


[Закрыть] находят на отдельных участках того громадного пояса, который тянется через Австралию, Индокитай и Филиппины.

Сколько споров возникало вокруг этих таинственных образований! Одни считали, что это остатки стекла, плавленного древним человеком, другие думали, что это расплавленные частицы земной пыли; третьи – что это продукт расплавления песков, когда в них падали массы метеорного железа, но большинство ученых склонно думать, что это настоящие частицы других миров…

Я попытался на предыдущих страницах нарисовать перед читателем сложную историю кварца, кремнезема и их соединений. Начиная с горячих расплавов и кончая холодной поверхностью Земли, начиная с космических областей и кончая песком, которым посыпают в гололедицу наш тротуар, – всюду мы встречаемся с кремнием и кремнеземом; всюду кварц – один из самых замечательных и самых распространенных минералов мира.

Я мог бы на этом кончить историю кварца, если бы мне не хотелось рассказать еще о том, какое огромное значение имел кварц в истории культуры и техники. Недаром первобытный человек стал делать свои первые орудия из кремня или яшмы. Недаром самые первые украшения в древнейших постройках Египта, в остатках шумерийской культуры Месопотамии были сделаны именно из кварца. Недаром еще за двенадцать веков до нашей эры на Востоке научились плавить песок с содой и получать стекло.

Горный хрусталь находил широчайшее применение у персов, арабов, индусов, египтян; и мы имеем сведения, что обработка кварца существовала еще за пять с половиной тысяч лет до нашего времени.

В течение многих столетий древние греки считали горный хрусталь окаменевшим льдом, превращенным в камень по воле божественной силы. Много фантастических историй связано с этим камнем. В библейский сказаниях ему придавалось огромное значение. При постройке знаменитого Соломонова храма в Иерусалиме этот минерал играл огромную роль под разными названиями: агат, аметист, халцедон, оникс, сард и другие.

В середине XV века была создана первая промышленность по обработке этого камня. Научились его пилить, шлифовать, окрашивать и широко использовать в качестве украшений. Но все это были отдельные попытки кустарей, не имевшие массового характера до тех пор, пока новая техника не предъявила более широких требований. Сейчас горный хрусталь используется широко в промышленности и в радиотехнике, где с помощью пьезокварцевых пластинок стали улавливать ультразвуковые волны и преобразовывать их в электрические колебания. Горный хрусталь превратился в один из важнейших видов сырья нашей промышленности.

И на смену флейте, выточенной из горного хрусталя (Художественный музей в Вене), и прозрачному самовару (Оружейная палата в Москве) пришли маленькие пластинки из кварца для радио, способствовавшие успеху одного из величайших открытий человечества – передаче электромагнитных волн на далекие расстояния[25]25
  Имеется в виду пьезоэлектрическое свойство кварца: если из кристалла вырезать тонкую пластинку перпендикулярно его главной оси и приложить переменное напряжение к ее краям, то она задрожит; при этом частота колебаний зависит от толщины пластинки. – Науч. ред.


[Закрыть].

Но скоро кварц – чистый горный хрусталь – будут делать химики. В больших баллонах, наполненных жидким стеклом, при высокой температуре и под большим давлением на тонких серебряных проволочках будут расти кристаллы горного хрусталя – чистые маленькие пластинки для радио, а может быть, и для стекол наших окон, для нашей посуды[26]26
  Проблема искусственного получения кварца разрешена, и производство его все более расширяется.


[Закрыть].

И живительные ультрафиолетовые лучи солнца, задерживаемые простым оконным стеклом, будут пронизывать наши комнаты. Появится посуда из плавленого кварца, и раскаленные на плите кварцевые чашки можно будет опускать без опасений в холодную воду[27]27
  В химических лабораториях широко применяется посуда из кварцевого стекла.


[Закрыть].

Из тончайших кварцевых нитей, столь тонких, что надо сложить пятьсот нитей, чтобы получить толщину спички, будут плести нежнейшие ткани; и кремнезем будет не только материалом для построения скелета мельчайших радиолярий, но и материалом для одежды человека; он «оденет» человека своими иглами и нитями…

Горный хрусталь сделался основой новой техники; не только геохимик пользуется им как термометром для определения температуры земных процессов[28]28
  Если горный хрусталь кристаллизуется при температуре выше 575°, он дает кристаллы особой формы, в виде шестиугольных дипирамид. Если же его образование произошло из растворов при температуре ниже 575°, то форма его кристаллов иная, вытянутая в длину, в виде шестиугольной призмы.


[Закрыть], не только физик устанавливает при помощи кварца длину электромагнитных волн, – новые и заманчивые перспективы открывает кварц в различных областях промышленности; и скоро он войдет в обиход всей нашей жизни.

Чем упорнее будут химики и физики овладевать атомами кремния, тем скорее они впишут в историю науки и техники, а также в историю самой Земли одну из самых замечательных страниц.

Углерод – основа всего живого

Кто из вас не знает сверкающего всеми цветами радуги драгоценного алмаза, серого графита или, наконец, черного куска угля? Все это лишь различные формы, в которых встречается в природе один и тот же химический элемент – углерод[29]29
  В 1985 г. Нобелевская премия по химии вручена за открытие еще одной стабильной формы углерода – фуллеренов, представляющих собой полиэдрические молекулы с пяти– и шестиугольными гранями. Затем они были найдены в природе – в фульгуритах и шунгитах, хотя и в весьма малых количествах. Тем не менее есть идея, что в этих клетках-ловушках могут концентрироваться редкие и рассеянные химические элементы. – Науч. ред.


[Закрыть].

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

Всего углерода в земной коре содержится 4 584 200 миллиардов тонн. Вот как распределяется углерод в разных частях земной коры:

К этому надо добавить 2200 миллиардов тонн в атмосфере и 184 000 миллиардов тонн в воде океанов.

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 не дает 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.

Графит

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 Катмай 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.

Растительность каменноугольного периода, из которой образовался каменный уголь

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[30]30
  На сегодня их уже пять тысяч. Заметим также, что минерал – это природное химическое соединение с кристаллической структурой. А это сильное ограничение разнообразия. – Науч. ред.


[Закрыть].

Органических соединений так много, что приходится теперь их называть все более и более длинными и сложными названиями[31]31
  Эта проблема расколола минералогов на два лагеря: одни специалисты называют новые минералы в соответствии с химической номенклатурой, другие (и их значительно больше) – в честь ученых, по местам находки и пр. – Науч. ред.


[Закрыть]; например, известное лекарство от малярии акрихин имеет полное название: «метоксихлордиэтиламинометилбутиламиноакрихин».

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

Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но располагаются атомы в этих минералах различно. В алмазе каждый атом окружен четырьмя атомами углерода на равных расстояниях (тетраэдр). У графита атомы расположены слоями, связи атомов между слоями ослаблены

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 нефти и угли создаются за счет погибших организмов[32]32
  Также активно развивается предложенная Д. И. Менделеевым теория абиогенного происхождения нефти и природного газа. – Науч. ред.


[Закрыть], 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. 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 так далее.

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 ценнейшие синтетические материалы: искусственные волокна, битумы, жиры, глицерин и так далее. 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»[33]33
  В 1960–1980-х годах только в США пробурено без отбора керна свыше 350 скважин глубиной 6,5–7 км, 50 – более 7 км и 4 – более 9 км. – Науч. ред.


[Закрыть].

Скважина, добывающая нефть, действует по нескольку лет. На поверхности земли ставят сложное сооружение – вышку высотой в 37–43 м. Лес вышек нефтяного промысла издали выглядит 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.

В кристалле алмаза атомы лежат очень плотно друг к другу. С этим связаны его значительный удельный вес и твердость, превосходящая твердость всех остальных минералов, а также исключительно высокий показатель преломления.

Алмаз может образоваться из расплавленной породы лишь при очень больших давлениях, достигающих 30, а может быть даже и 60 тысяч атмосфер[34]34
  Даже эта, еще недавно казавшаяся непоколебимой схема уже подвергнута критике из-за находки алмазов в экзотических образованиях – туффизитах. – Науч. ред.


[Закрыть].

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[35]35
  Месторождения алмазов мирового значения открыты у нас в Якутии в 1954 г.


[Закрыть]. 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 3 × 3 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 году нашли еще больший, названный «Кюллинан», – его вес 3 025 каратов, или 605 граммов. Камни более 10 карат редки и дорого ценятся. Самые знаменитые бриллианты весят от 40 до 200 каратов. Рядовые алмазы – крошки, так же как черная разновидность – «карбонадо» или алмазные капли – «баллас», также высоко ценятся, так как используются в технике для сверления и бурения горных пород. Довольно крупные камни нужны для волочильных станков, приготовляющих вольфрамовую нить для электрических лампочек.

Кристаллы алмазов

Графит – тот же углерод; но как отличен он по своим свойствам от алмаза!

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.

Мы ежедневно имеем дело с графитом, когда пишем карандашом. Для изготовления карандашей графит замешивают с очищенной глиной, от количества которой зависит твердость карандаша: для твердых карандашей глины берут мало, для мягких – больше. Потом стержни прессуют и заклеивают в дерево. Но на карандаши идет всего 5 % добываемого графита. Главная его масса расходуется на огнеупорные тигли для плавки высших сортов стали, на электроды для электрических печей, на смазку трущихся частей в тяжелых механизмах (например, в блюмингах); в виде порошка графит идет для присыпки «опок» – глиняных форм для отливки металлических частей машин.