Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Нам с вами остается вспомнить о судьбе той углекислоты, которая сохранилась в пластах Земли в виде известняков, мела, мрамора.

Прежде всего – как она образовалась? На это легко ответить, достаточно рассмотреть небольшое количество порошка мела под микроскопом. Мы найдем в нем целый мир микроскопических ископаемых организмов. Мы увидим множество кружочков, палочек и кристалликов, нередко тонкого и красивого узора. Это остатки известковых скелетов микроскопических организмов – корненожек. Некоторые виды их и сейчас еще встречаются в теплых морях. Скелеты корненожек состоят из углекислого кальция, и после смерти их организмов массы таких скелетов и образовали породу. Но не только микроскопические низшие организмы участвуют в образовании пород, – скелеты многих других морских животных и растений состоят из карбоната кальция. Эти скелеты также встречаются в известняках.

Это все получают из нефти! Но из нее получают еще много и других ценных продуктов

Ученые по сохранившимся остаткам организмов умеют определять относительное время образования известняков.

Новейшие геохимические исследования дают возможность установить закономерное соотношение между углем и нефтью и общим количеством известняков на всем земном шаре.

Следовательно, можно примерно определить по обилию известняковых пород для каждой геологической эпохи количество образовавшихся тогда угля и нефти. Значение таких геохимических заключений очень велико, даже если практические расчеты и окажутся неточными.

Многие древнейшие известняки под влиянием давления превращаются в мраморы, и всякие следы органической жизни в них исчезают. Углекислота, накопившаяся в них за долгие миллионы лет, вышла из круговорота. И только если возникнут где-либо вблизи мраморов горообразовательные и вулканические процессы, они могут вновь под влиянием жара освободить углекислоту и положить начало новому круговороту ее.

Таким образом, в вечном круговороте химических процессов Земли сама природа поддерживает равновесие.

Фосфор – элемент жизни и мысли

Для того чтобы понять историю этого замечательного элемента природы, я приведу здесь два рассказа. Один будет относиться к далеким временам – к концу XVII века, другой – к нашим дням. Затем я попытаюсь сделать из этих двух рассказов выводы и нарисовать перед вами сказочную историю фосфора, без которого нет ни жизни, ни мысли.

* * *

Темный подвал, слабо освещенный высоко расположенным окном с решеткой. Печь с жаровнями и большим кузнечным мехом, большие реторты, стелющиеся клубы дыма… На стенах подвала различные надписи, арабские изречения, пентаграммы, астрономические вычисления, картина звездного неба и небесных светил. На столах, на полу разложены древние фолианты в толстых кожаных переплетах с какими-то таинственными знаками. На полу большие чаши для растирания солей, груды песка, человеческих костей, сосуды с «живой» водой, на столе сверкающие капли ртути, тонкие стаканы, реторты, желтые, бурые, красные и зеленые растворы.

Средневековый алхимик в своей лаборатории

И среди всей этой обстановки старинной алхимической лаборатории фигура седовласого алхимика, замкнувшегося на многие годы от мира. Он ищет, как превратить серебро в золото, как использовать таинственную силу горения, чтобы из одного металла получить другой.

На тысячу ладов растворяет он порошки и человеческие кости, выпаривает мочу различных животных и людей, он ищет философский камень, который сделает старых молодыми, который научит получать из простого металла дорогое золото.

В такой таинственной и сложной обстановке решались химические проблемы алхимиками XVII в. Но тщетны были попытки получить золото из ртути или выделить философский камень из костей. Проходили годы, опыты не приносили успеха. Все большей и большей тайной окружали свои лаборатории алхимики, пряча рецепты и толстые фолианты своих записей.

Но вот в 1669 году одному из алхимиков, работавшему в Гамбурге, посчастливилось. В поисках драгоценного камня он взял свежую мочу, выпарил ее досуха, а черный остаток подверг прокаливанию. Сначала осторожно, потом более сильно прогревал он этот остаток, и на верху трубки стало накапливаться белое воскообразное вещество, которое, к удивлению алхимика, светилось.

Геник Бранд – так звали этого алхимика – долгое время тщательно скрывал свое открытие. Тщетны были попытки других алхимиков проникнуть в его лабораторию. Сильные мира сего приезжали в Гамбург и пытались купить у него эту тайну. Открытие произвело огромное впечатление, величайшие умы XVII века были им заинтересованы, полагая, что найден философский камень. Камень этот светился холодным, спокойным светом; он был назван «холодным огнем», а само вещество получило название «фосфор» (что значит по-гречески «несущий свет»).

Роберт Бойль – один из крупнейших английских химиков – и Лейбниц – философ XVII века – заинтересовались открытием Бранда. Очень скоро один из учеников и ассистентов Бойля в Лондоне добился таких прекрасных результатов, что даже напечатал объявление в газете: «Ганквиц, химик в Лондоне, живет на такой-то улице, готовит разного рода лекарства. Кроме того, уведомляет всех любопытствующих, что он один в Лондоне может изготовлять фосфор разных сортов по 3 фунта стерлингов за унцию».

И все же до 1737 года получение фосфора оставалось секретом алхимиков. Бесплодны были их попытки использовать этот замечательный элемент. Считая, что открыт философский камень, они пытались при помощи светящегося белого фосфора превращать серебро в золото, но это не увенчалось успехом. Философский камень не открывал своих загадочных свойств, а взрывы, иногда случавшиеся во время опытов, только пугали исследователей. Фосфор оставался таинственным веществом и не находил себе применения. Должно было пройти почти два века, прежде чем в скромной химической лаборатории химик Либих открыл еще одну тайну – значение фосфора и фосфорной кислоты в жизни растений. Стало ясно, что фосфорные соединения – основа жизни на полях; и в этой лаборатории впервые была высказана мысль, что для того, чтобы повысить урожайность, нужно рассеивать по полям соединения «холодного огня».

Мы знаем, как недоверчиво отнеслись к этим словам Либиха. Его попытки ввести удобрение селитрой не увенчались успехом, и привезенный на кораблях из далекой Южной Америки груз этой соли, не найдя покупателей, был выброшен в море. Долгое время считалась недоступной фантазией возможность использования солей «холодного огня» для увеличения урожая ржи и пшеницы и развития стебля ценного волокнистого растения – льна. Снова должны были пройти годы упорной научной работы, пока фосфор не сделался одним из важнейших химических элементов в сельском хозяйстве.

* * *

Второй рассказ относится к 1939 году. На Севере, на склонах покрытых снегом горных хребтов, идет грандиозная добыча светло-зеленого камня – апатита, ценного полезного ископаемого. Его добывают в огромных количествах, соревнуясь с добычей фосфорита, извлекаемого на берегах Средиземного моря, в Африке или Флориде. Апатит поступает на большие обогатительные фабрики, где его размельчают, отделяют от вредных составных частей и получают чистый белый порошок, рассыпчатый и мягкий, как мука. Затем его грузят в вагоны и десятками поездов направляют с далекого Заполярья на заводы Ленинграда, Москвы, Одессы, Винницы, Донбасса, Перми и Куйбышева, чтобы там, подвергнув его действию серной кислоты, превратить в новое вещество, в новый белый порошок – растворимый фосфат для удобрений. Миллионы тонн этих фосфорных соединений рассеиваются особыми машинами по полям нашей страны, удваивая урожайность льна, увеличивая сахаристость сахарной свеклы, умножая число коробочек хлопка, повышая плодородие огородных культур.

Апатитовый рудник. Гора Кукисвумчорр

И рассеянные на полях мельчайшие атомы фосфора попадают в хлеб, овощи, в целый ряд употребляемых нами продуктов. Подсчеты показывают, что в каждом куске хлеба весом в 100 г мы съедаем до 10 000 000 000 000 000 000 000 атомов фосфора, то есть колоссальную цифру, которую трудно выразить обычными нашими словами.

Мы рассказали вам о главном источнике фосфорных солей в нашей стране – об апатите Хибинских гор. Но как ни грандиозны рудники Кольского полуострова, они одни не в состоянии насытить поля нашей необъятной Родины фосфором, так как встает проблема перевозки. Того количества вагонов драгоценного апатитового концентрата, которое достигает Сибири, Казахстана и Средней Азии, недостаточно, – на помощь полярному апатиту приходят вновь разведанные месторождения. Энергично добывают фосфориты во многих местах Европейской части Союза, не менее важные месторождения известны сейчас в Сибири и в Средней Азии.

В различных местах нашей необъятной Родины идут поиски и разработки новых месторождений. Имеющиеся залежи фосфорита позволяют нам получать десятки миллионов тонн фосфорных удобрений, которые вносят свою живительную силу на колхозные и совхозные поля нашей страны, полностью насыщая жизнетворными атомами зерна колосьев и стебли растений.

Мы нарисовали вам две картины из истории фосфора: его открытия и использования в наши дни. Свыше десяти миллионов тонн фосфорных удобрений ежегодно вырабатывается во всем мире; из них два миллиона тонн фосфора рассеиваются по полям.

Но фосфор идет не только для удобрений. Значение этого вещества возрастает с каждым годом. В настоящее время этот «холодный огонь» используется не менее чем в 120 отраслях промышленности.

Минерал апатит

Фосфор прежде всего – вещество жизни и мысли; содержание фосфора в костях определяет рост и нормальное развитие клеток костного мозга и, в конечном счете, обусловливает прочность живых организмов. Высокое содержание фосфора в мозговом веществе указывает на его существенную роль в работе мозга. Недостаток фосфорного питания ведет к ослаблению всего организма. Недаром имеются различные лекарства и фармацевтические препараты, содержащие фосфор, которыми лечат слабых или выздоравливающих больных. Фосфор нужен не только человеку, – он нужен также в огромных количествах растениям и животным. Фосфорными удобрениями ныне научились удобрять не только сушу, но и море. В замкнутых бухтах и заливах удобрение морской воды фосфором быстро усиливает размножение и рост мельчайших водорослей и других микроскопических организмов, что вскоре приводит к повышенному размножению рыбы. На наших глазах прошли опыты снабжения фосфором прудов около Ленинграда, отчего рыба в них стала вдвое крупнее. В последнее время огромную роль приобретает фосфор в изготовлении различного рода пищевых продуктов и в особенности минеральных вод. Высокие сорта минеральных вод получают при помощи фосфорной кислоты. Соли фосфорных кислот, особенно марганцевые и железные, дают прочные и неизменяемые покрытия. Мы знаем, что лучшие сорта изделий из нержавеющей стали получают путем своеобразного покрытия их фосфорными солями. Поверхности самолетов можно сделать нержавеющими при помощи таких фосфорных покрытий. «Холодный огонь» фосфора в былые годы создал одну из крупнейших отраслей промышленности, а именно спичечную. Наши молодые читатели не знают тех фосфорных спичек, которыми пользовались до изобретения спичек нашего времени. Я еще помню из времен моего детства коробочки с фосфорными спичками, которые делались с красными головками и зажигались путем трения о какой-нибудь предмет. Особенно любили зажигать эти спички о подошвы ботинок. Однако опасные свойства фосфора заставили изобрести другие спички, которыми и пользуемся мы в настоящее время.

Участие фосфора в различных производствах

Применение фосфора в спичках подало идею употребить это вещество не для холодного огня, а для холодного тумана. Сгорая, фосфор превращается в фосфорную кислоту, которая долго плавает в воздухе в виде трудно осаждающегося тумана.

Военная техника использовала эту особенность фосфорной кислоты для создания дымовых завес. Значительное количество фосфора содержат зажигательные бомбы; и в современной войне фосфорные бомбы, распространяющие холодный белый туман, сделались одним из средств нападения и разрушения.

Мы не будем рассказывать о тех сложных химических путях, по которым проходит фосфор в самой природе, начиная с глубинных расплавов, до тонких иголочек апатита, и кончая живыми фильтрами (микроорганизмами), улавливающими фосфор из слабых растворов морской воды.

История миграции фосфора в земной коре необычайно интересна. Судьба фосфора связывается со сложным процессом жизни и смерти. Но накапливается фосфор там, где гибнет органическая жизнь и где происходит массовая гибель животных, на стыке морских течений, где создаются подводные кладбища. Фосфор в земле накапливается двояко: или в глубинных месторождениях апатита, выделившегося из горячих расплавов магмы, или в остатках скелетных частей животных. Сложный круговорот проходит атом фосфора в истории Земли. Отдельные звенья его странствований открыты химиками, геохимиками и технологами. Прошлая судьба его теряется в глубинах земных недр, его будущее – в мировой промышленности, на сложных путях технического прогресса.

Сера – двигатель химической промышленности

Сера является одним из самых первых известных человеку химических элементов. Она встречалась во многих местах побережья Средиземного моря и не могла ускользнуть от внимания древних народов – греков и римлян. Вулканические извержения неизменно выносили с собой огромные количества серы; и запах сернистого газа и сероводорода считался признаком деятельности подземного бога Вулкана. Чистые, прозрачные кристаллы серы в крупных месторождениях Сицилии были замечены за много столетий до нашей эры. Особое внимание привлекала способность этого камня выделять удушливые газы. Именно это необычное свойство и было причиной того, что сера в те времена считалась одним из основных элементов мира.

Поэтому неудивительно, что в представлениях древних натуралистов, а особенно алхимиков, сера всегда играла совершенно исключительную роль при описании процессов вулканической деятельности или образования горных хребтов и рудных жил.

Сера, как казалось алхимикам, вместе с тем обладала таинственным свойством выделять новые вещества при горении и потому должна была являться недостающей составной частью философского камня, который они так тщетно пытались найти, чтобы суметь получить искусственное золото.

Представление об исключительной роли серы в природе прекрасно передано в знаменитом трактате Ломоносова «Слово о рождении металлов от трясения земли». Приводим несколько мест, сохраняя богатство и звучность языка Ломоносова:

«Рассуждая толикое подземного огня множество, тотчас мысль обращается к познанию материи, которую он содержится…» «Что ж к возгорению удобнее серы? Что к содержанию и питанию огня ее неодолимее?» «Какая горючая материя изобильнее оныя из недр земных выходит? Ибо не токмо из челюстей огнедышащих гор отрыгается и при горючих из земли кипящих ключах и при сухих подземных продушинах в великом множестве собирается, но нет ни единой руды, нет почти ни единого камня, который бы через взаимное с другим трение не дал от себя серного духу и не объявил бы тем ее в себе присутствие…» «Загоревшись, великое количество серы в земном недре и расширив тяжкий воздух в пропастях, в лежащую сверху землю оным упирает, поднимает и по разным сторонам разным количеством движения разными образы трясения производит; и в тех местах прежде всего прорывается, где найдет меньше сопротивления; разрушенной земной поверхности легкие части выстреливает на воздух, которые, падая, окрестные поля занимают; прочие, ради великой огромности, осилив тягостию своею пламень и обрушась, гору составляют…

Видели мы, слушатели, превеликое в недрах земных огня множество и нужныя к его питанию серы изобилие, довольное к земному трясению и к произведению перемен великих, бедственных, но и полезных, страшных, но и услаждение приносящих».

Действительно, глубины земных недр содержат значительное количество серы и при своем охлаждении выделяют много летучих соединений различных металлов в сочетании с серой, мышьяком, хлором, бромом и йодом. Об этом мы можем судить не только по запаху, свойственному выделениям вулканов, удушливым соффионам южной Италии или облакам сернистого газа камчатских извержений: сера выносится также и в растворах и в трещинах образует рудные жилы. Вместе с мышьяком и сурьмой, своими друзьями и спутниками в этих летучих горячих флюидах, она образует те минералы, из которых человек с древнейших времен добывает цинк и свинец, серебро и золото.

Но на земной поверхности эти темные, непрозрачные, блестящие полиметаллические руды и разного рода блески и колчеданы подвергаются воздействию кислорода воздуха и воды; последние действуют на соединения серы и образуют новые соединения, а серу окисляют в сернистый газ. Мы знаем этот газ по запаху серных спичек. Он образует с водой сернистую и серную кислоты.

Подобным образом сера и ее продукты выделяются при окислении больших колчеданных линз, разрушают окружающие породы и, соединяясь с более устойчивыми элементами, дают в конце концов гипс или другие минералы. Нужно сказать, что серная кислота, которая образуется в месторождениях колчеданов, а также и там, где добывают самородную серу, обладает разрушительными свойствами.

Вспоминается рудник Медногорск на Южном Урале, где выделения серной кислоты при окислении колчедана настолько велики, что уберечься от ее ядовитой деятельности нет никакой возможности, и одежда всех рабочих, занятых на этих рудниках, очень быстро приходит в негодность.

Работая в каракумских песках, мы не знали этого свойства серных месторождений; и когда наши образцы серной руды, аккуратно завернутые в бумагу, прибыли в Ленинград, оказалось, что бумага совершенно разъедена, от этикеток остались только отдельные обрывки, а местами оказались поврежденными даже ящики. Виновника этих бедствий, природную серную кислоту, пришлось описать как новый самостоятельный жидкий минерал.

Схема действующего вулкана

Каракумская руда отличается тем, что состоит из смеси песка с серой.

Чтобы выделить чистую серу, инженер-химик П. А. Волков предложил оригинальный способ. В котел, работающий под большим давлением, закладывают мелкую руду, наливают воду, котел герметически закрывают, в него пропускают из парового котла пар под давлением в 5–6 атмосфер. Температура в автоклаве достигает 130–140°, сера плавится и собирается в нижней части котла, тогда как песок и глина, взбалтываемые паром, увлекаются кверху. Через некоторое время открывают кран, и сера спокойной струей стекает в специальные лотки. Весь процесс плавки длится около двух часов. Так просто решили советские инженеры проблему очистки каракумской серы.

Сера недолго остается в своем первоначальном виде: она скоро соединяется с различными металлами, образует в вулканических районах скопления алунита, белыми пятнами или полосами расходящегося вокруг действующих вулканов.

Некоторые астрономы думают, что именно алунитом обусловливаются те белые ореолы и белые лучи, которые окружают кратеры лунных гор.

Большое количество окисленной серы находится в соединении с кальцием. Такое соединение довольно трудно растворимо в лабораторных условиях, но зато это достаточно подвижное соединение в земле. Это соединение, которое мы называем гипсом, в больших количествах осаждается в виде мощных слоев в соляных озерах и усыхающих морских бассейнах.

Но на этом не заканчивается история серы на земной поверхности. Часть серной кислоты вновь превращается в газ; целый ряд микроорганизмов восстанавливает серу; из растворов ее солей образуются сероводород и летучие газы, которые в грандиозных количествах выносятся нефтеносными водами, насыщают собой воздух в болотистых низинах, а в ряде лиманов и озер образуют черную илистую массу, которую мы называем лечебной грязью и широко используем для лечения в Крыму и на Кавказе.

Огромная часть серы улетает в воздух в виде сероводорода, вновь возвращаясь в подвижную форму. Таким образом завершается один из циклов сложного круговорота этого элемента в геологической истории Земли.

Но человек резко изменил пути, которые проходит сера на Земле; она оказалась ценнейшим объектом промышленности. В чистом виде ее мировая добыча составляет лишь миллион тонн в год. В соединениях же с железом, из которых получается сера для кислоты, ее добывают в год десятки миллионов тонн.

Сера стала основой химической промышленности; и трудно даже перечислить те отрасли промышленной техники, где она применяется. Я назову лишь самые главные из них, но и из этих примеров будет видно, что без серы промышленность существовать не может. Сера нужна для получения бумаги, целлулоида, красок, большинства лекарств, спичек, для очистки бензина, эфира, масел, для приготовления фосфорных удобрений, купоросов, квасцов, соды, стекла, брома, йода. Без нее трудно получить азотную, соляную и уксусную кислоты; и понятно, что в истории промышленного развития с начала XIX века сера играет огромную роль. В виде серной кислоты она нужна для получения динамита, а использование в черном порохе сделало ее совершенно необходимой для огнестрельного оружия.

Поэтому борьба за серу проходит через всю историю XVIII века. Долгое время единственным поставщиком серы была Сицилия. Она находилась в руках итальянского королевства, и много раз с начала XVIII века английские фрегаты бомбардировали сицилийские берега, стремясь овладеть этим богатством. Но затем шведы открыли способ получения серы и серной кислоты из колчедана. Огромные испанские месторождения колчеданов сделались объектом внимания всех европейских государств, и тогда английские фрегаты появились у берегов Испании, чтобы овладеть и этим источником серы и серной кислоты. Сицилийские месторождения были заброшены, все внимание сконцентрировалось на Испании.

Но вот в Америке открыты первые богатейшие месторождения серы на полуострове Флорида.

В погоне за прибылью здесь был предложен на первый взгляд совершенно невероятный метод: стали накачивать в глубины перегретые пары воды, которые благодаря низкой температуре плавления серы, 119°, расплавляли ее внутри земли и выталкивали в жидком виде на поверхность.

Удалось построить первую установку для откачки расплавленной серы, которая выбрасывалась на землю и застывала в виде громадных холмов.

Этот метод очень производителен, и в Америке стали получать с его помощью грандиозные количества серы. Итальянские и испанские месторождения отошли на второй план.

И снова новая, блестящая мысль рождается в стране сернистых руд, в полярной Швеции. На одном из заводов стали получать серу попутно при обработке колчеданных руд.

Опять источником серы оказывается сернистый металл, и снова судьбы серной кислоты перестраиваются на новый лад.