Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
После обессеривания бензин подвергают процессу, получившему название реформинга, – он превращает часть линейных углеводородов в разветвленные, повышая тем самым октановое число и делая бензин безопасным для наших автомобилей. Использование антидетонационных присадок требует отдельных пояснений – оно оказывает не очень благоприятное воздействие на окружающую среду. В прошлом самой распространенной добавкой было производное свинца – тетраэтилсвинец, запрещенный в США еще в начале 90-х годов, а начиная с 2000 года и во всей Европе. Это вещество обладает чрезвычайной токсичностью и очень негативно влияет на окружающую среду: представьте себе, что после его запрещения уровень свинца в крови граждан США снизился с 16 мкг/дл до 3 мкг/дл.[22]
К тому же свинец, как оказалось, очень быстро разрушает каталитический нейтрализатор и откладывается внутри двигателя, снижая срок его работы. Вот уж, действительно, вещество, с которым лучше не иметь никаких дел!
Поэтому тетраэтилсвинец был заменен другим веществом, метил-трет-бутиловым эфиром, которое тоже влияет не самым лучшим образом на природу и здоровье[23]. Оно уже запрещено в некоторых штатах США, в частности в Калифорнии[24], но в Европе пока разрешено к использованию[25]. Тем не менее сегодня исследователи заняты поисками способов повысить эффективность топлива с помощью других, менее токсичных присадок, таких как этанол и его производные.
На заправке обратите внимание на буквы и цифры, которыми маркирован бензин. E5 означает, что бензин содержит 5 % этанола, а 95 и 98 – октановое число: чем оно выше, тем бензин лучше (и дороже).
Ископаемое топливо как источник загрязнений
При сжигании углеводородов происходит реакция горения. Этим термином мы, химики, обозначаем все реакции, в которых органическая молекула взаимодействует с кислородом, превращаясь в воду и углекислый газ. Внутри двигателя внутреннего сгорания, движущего автомобиль, тепловая энергия, освобождаемая при окислении углеводородов, превращается в механическую энергию, вращающую колеса. Возьмем, к примеру, метан – тот самый бытовой газ; интересующая нас реакция записывается следующим образом:
CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2
Интересно, что, если мы возьмем намного более сложную органическую молекулу, как, например, молекулы древесины, результат будет тем же самым: вода и углекислый газ. Вода и углекислый газ являются конечными продуктами нашего метаболизма. Мы получаем энергию для нашего тела, «сжигая» жиры или сахара: вдыхаем кислород и выделяем воду и углекислый газ. Разница в том, что, вместо того чтобы вступать в реакцию с кислородом непосредственно, горя красивым пламенем, углеводороды в нашем организме задействованы во множестве различных химических реакций, которые мало-помалу «добывают» энергию из органических веществ, которыми мы питаемся, пока не превратят их в углекислый газ и воду. Если бы наш организм производил сжигание напрямую, мы бы получали сразу большое количество тепловой энергии за короткое время, но для нас это было бы бесполезно. Нам достаточно небольшое количество тепла для поддержания температуры тела, в то время как большая часть энергии из продуктов питания превращается в химическую энергию, необходимую для синтезирования других веществ, которые нужны нам для различных физиологических процессов, определяющих жизнь. Реакция горения – это пример изотермической реакции, при которой во внешнюю среду выделяется много тепла. По этой причине мы можем использовать метан для обогрева или приготовления пищи – небольшое количество углеводородов довольно быстро высвобождает весьма значительное количество энергии. Другие реакции являются эндотермическими, то есть не высвобождают энергию, а поглощают ее извне. Примером эндотермической реакции может служить применение льда для охлаждения травмированных частей тела спортсменов.
Большое количество тепла, высвобождаемое при реакции горения, определяет столь важное значение углеводородов для общества. Кроме того, это процесс, посредством которого можно получить большое количество энергии из относительно небольшой массы топлива, легко поддающегося транспортировке и (в настоящее время) достаточно доступного. Этот процесс не требует сложных инструментов, его несложно поддерживать, и он может быть запущен в любой момент по нашему усмотрению.
Хотя в результате сжигания углеводородов образуется вода и углекислый газ, в точности как и сжигание сахаров в нашем теле, целовать нашего партнера занятие куда как более приятное, чем приникать к выхлопной трубе автомобиля с работающим двигателем. Как же так?
Причин, как правило, две:
• воздух содержит не только кислород, но и азот;
• реакция горения происходит не в идеальных условиях и приводит к образованию побочных загрязняющих среду продуктов.
Когда мы сжигаем углеводороды в присутствии большого количества кислорода, они как раз и превращаются в воду и углекислый газ.
Углекислый газ не опасен для человека, но именно он ответственен за парниковый эффект в атмосфере и повышение средних глобальных температур, которые уже влияют на экосистемы Земли. Это фундаментальное экологическое ограничение, связанное с использованием углеводородов, потому что даже самые чистые и эффективные двигатели тем не менее выделяют достаточно CO2, являющегося, как мы уже убедились, неотъемлемым продуктом горения. Несмотря на то что еще хватает радетелей за нефтяную индустрию, утверждающих, что глобальное потепление не связано с человеком, эта зависимость доказана всеми международными научными институциями. Большинство ученых, занимающихся климатом и науками о Земле, согласны в том, что глобальное потепление не только реально, но и вызвано именно деятельностью человека, а выбросы углекислого газа являются важнейшей причиной этого явления[26].
Возвращаясь к нашим автомобилям: в двигателе сгорание происходит в условиях, далеких от идеальных, как потому, что в качестве одного из компонентов используется воздух, в котором присутствует азот, так и потому, что количество кислорода в нем не всегда достаточно для полного сгорания.
Азот из воздуха превращается во время сгорания в оксиды азота, которые, в отличие от углекислого газа, как раз вредны не только для планеты, но и для нашего здоровья. Как мы уже убедились в предыдущей главе, азот сам по себе – молекула инертная, то есть с трудом вступает во взаимодействие. Но в автомобильном двигателе, при повышенных температуре и давлении,
