Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Ископаемое топливо представляет собой соединения органических молекул – в основном углеводородов, – образовавшихся в результате очень медленного разложения органических веществ в условиях высокого давления и температуры, однако на самом деле, вопреки расхожим представлениям, не имеет никакого отношения к динозаврам. Несмотря на распространенность идей о том, что ископаемое топливо образовалось из останков динозавров, на самом деле это не так: оно образовалось в результате разложения остатков растений, водорослей и зоопланктона – микроскопических водных существ, живших за сотни миллионов лет до появления динозавров. Динозавры жили на Земле в период между 65 и 200 миллионов лет назад, а нефть образовалась из останков живых организмов, доминировавших в период от 10 до 100 миллионов лет назад. На самом деле эти организмы были для динозавров тем, чем динозавры являются для нас.
Сегодня мы знаем, что эти примитивные живые существа росли и размножались в океане благодаря фотосинтезу, который, как мы уже знаем, стал процессом, позволившим превращать энергию солнечного света в химическую, воплощаемую в органической молекуле. После смерти эти организмы опускались на дно океана, где со временем из них образовывалась органическая материя. Постепенно слой останков покрылся грязью, мусором и под действием мощнейшего давления океана наконец превратился в непроницаемую скальную породу. Давление нарастало, кислород не поступал к органическим останкам, и постепенно они превратились в нефть.
С точки зрения химии нефть представляет собой смесь линейных, циклических и ароматических углеводородов, небольшого количества воды и примесей, содержащих серу, азот и водород.
Она представляет собой вязкую жидкость с большим количеством загрязнений очень разного химического состава, меняющегося в зависимости от месторождения; поэтому ее нельзя использовать непосредственно, но только после переработки и очистки, то есть рафинирования.
Рафинирование нефти происходит в несколько стадий, одной из которых является процесс дистилляции, который происходит в заметных издалека башнях нефтеперерабатывающих заводов. Именно из-за мощного воздействия на визуальную и природную среду мы воспринимаем сегодня подобные структуры негативно, ассоциируя их бессознательно с неприятными запахами, ощущениями присутствия грязи, химических выбросов, связанных с нефтью. Именно поэтому, когда речь заходит о рафинированных сахаре или муке, некоторые люди морщат нос, думая, что речь идет о чем-то вредном. Я хотел бы развеять этот миф: рафинирование некоего вещества означает собственно очистку его от загрязнений с помощью процессов, которые могут быть весьма сложными, но не вредными и не снижающими пищевую ценность продуктов.
Таким образом, процесс рафинирования нефти имеет фундаментальное значение, поскольку позволяет получить вещества с самыми разными свойствами, такие как бензин, дизельное топливо, керосин или битум. Представьте себе, как заливаете битум в бак вашего автомобиля, и вы сразу осознаете, насколько тонким бывает это превращение. Процесс рафинирования включает в себя разные этапы, но мы рассмотрим три самых важных: дистилляцию (ректификацию), очистку и реформинг.
Процесс дистилляции как раз и происходит в тех самых ректификационных башнях нефтеперерабатывающих заводов и позволяет разделить нефть на разные фракции в зависимости от их температуры кипения. Мы уже убедились, что нефть представляет собой смесь углеводородов – молекул, состоящих из длинных углеродных цепочек. Чем длиннее эти цепочки, тем выше либо температура кипения (переход из жидкого состояния в газообразное), либо температура плавления (переход из твердого состояния в жидкое). Самые маленькие молекулы, такие как метан, этан, пропан и бутан (содержащие соответственно один, два, три, четыре атома углерода), сохраняют газообразное состояние и при атмосферной температуре, молекулы, содержащие от 5 до 17 атомов углерода, существуют в виде жидкости, в то время как соединения, включающие более 17 атомов углерода, имеют воскообразную консистенцию. Процесс дистилляции в колонне относительно прост: она разделена на несколько температурных зон: внизу более горячие, сверху похолоднее. Разогретая нефть испаряется, а затем конденсируется (переходя из газообразного состояния обратно в жидкое) при разных температурах. В верхней части колонны, самой холодной, собирается газ, ниже бензин (35–200 °C), керосин (150–280 °C), дизельное топливо (около 350 °C).
Полученные таким образом смеси еще не готовы к продаже, поскольку содержат большое количество загрязнений и примесей, в частности соединения серы. Поэтому необходим процесс обессеривания, который позволяет достаточно непростым путем удалить этот элемент, превратив его в летучее и легко изолируемое соединение: сероводородную кислоту. Сероводородная кислота (не путать с серной кислотой) представляет собой газ, который достаточно легко отделить и обработать, но он обладает одной особенностью: он поразительно вонюч. Даже в самых малых количествах (наш нос способен уловить его при концентрации 0,0000005 %) мы ощущаем этот запах – «аромат» тухлых яиц или «испорченный кем-то воздух». Типичный запах, ассоциирующийся у нас с ректификацией нефти, как раз и вызван микроскопическими утечками сероводорода в процессе обессеривания. Концентрации газа при этом совсем невелики с точки зрения загрязнения окружающей среды, но чрезвычайно неприятны для человеческого обоняния. Неприятный запах является типичным признаком органических соединений серы, и мы чувствуем запах кухонного газа, состоящего в основном из метана – соединения без вкуса и запаха, – только потому, что в него специально добавляют соединения серы, чтобы можно было легко почувствовать утечку.
Этап обессеривания играет очень важную роль как потому, что прямое горение соединений серы приводит к выделению в атмосферу крайне вредных веществ (оксидов серы SO2 и SO3), так и потому, что эти вещества в конечном итоге дезактивируют катализаторы, присутствующие в каталитическом конвертере, – мы убедимся в этом в следующей главе.
Но не думайте, что на этом процесс заканчивается: наш чудесный бензин еще не вполне готов быть залитым в бак нашей машины. В дальнейшем мы заглянем повнимательнее в процесс сгорания, но в настоящий момент достаточно понять, что не все углеводороды горят одинаково, – а эта особенность может стать чрезвычайно разрушительной для двигателя. Очень важно, чтобы воспламенение воздушно-топливной смеси происходило в нужный момент, не слишком рано и не слишком поздно. Если топливо воспламеняется слишком легко, оно может загореться раньше, чем нужно, и нанести ущерб двигателю (раннее зажигание). Это явление называется детонацией, и устранить его можно двумя способами: использовать антидетонационные присадки или высокооктановый бензин. Октановое число – несомненно одна из важнейших характеристик бензина и исчисляется по шкале от 0 до 100. Нулевое
