От водорода до …?

В водолазном деле гелий используется для получения искусственного воздуха. Искусственный воздух, в составе которого азот частично заменен гелием, применяется для облегчения дыхания водолазов, работающих под особенно большим давлением.

Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота подобно шампанскому при открывании бутылки. Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и к смерти. Для того чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно. При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит.

С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать «гелиевым» воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании дыхательный мышц и некоторых других болезнях, связанных с актом дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

Гелий применяется также в технике получения низких температур.

Легчайший металл

3. Литий — Lithium (Li)

В 1817 г. шведский химик А. Арфведзон, производя анализ сравнительно редкого минерала петалита, открыл в нем новый химический элемент. Присутствие этого элемента затем было обнаружено и в некоторых минералах, входящих в состав твердых каменистых пород. В настоящее время известно более двух десятков минералов, в составе которых присутствует химический элемент, открытый А. Арфведзоном. Этот элемент называется литием (от греческого слова «литос», что значит камень).

В свободном виде литий получен немецким химиком Р. Бунзеном и независимо от него английским физиком О. Матиссеном через 38 лет после открытия этого элемента. Литий — серебристо-белый, чрезвычайно легкий металл. По своей легкости литий занимает первое место среди других металлов. Он в 5 раз легче алюминия и почти в 2 раза легче воды. Поэтому литий плавает не только на воде, но даже и на керосине. Самолет, сделанный из лития, могли бы легко поднять … два человека!

Однако из лития невозможно сделать не только самолет, но даже чайную ложку. Дело в том, что литий энергично соединяется с воздухом и водой, образуя вещества, совершенно лишенные механической прочности. Чайная ложка из лития при первом же помешивании горячего чая исчезла бы в нем без остатка. Причем «растворение» ложки сопровождалось бы бурным выделением водорода, который вытесняется литием из воды. В природе лития сравнительно много, на его долю приходится 0,02 % от общего количества атомов земной коры. Крупнейшие месторождения литиевых соединений находятся в Канаде, США, в Юго-Западной Африке. В СССР месторождения литиевых минералов находятся в Казахстане, Средней Азии. Сравнительно недавно было обнаружено наличие растворимых соединений лития в насыщенных растворах соляных озер. Так, например, в толще соляных отложений озера Серлс в Калифорнии были обнаружены пустоты, заполненные насыщенным рассолом, содержащим до 0,02 % соединений лития (хлористый литий). Растворимые соединения лития встречаются в некоторых источниках. Из них наибольшую известность получили источники курорта Виши и Дюркгейма.

Литий применяется в металлургии. Ничтожные добавки его (до 0,005 %) к меди улучшают ее качество. Литий благодаря своей химической активности взаимодействует с кислородом, азотом, серой, растворенными в меди, и, связывая их, играет для последней роль дегазатора. Незначительные добавки лития к алюминию, магнию и другим металлам повышают прочность и делают более стойкими против действия кислот и щелочей. В парах лития можно осуществлять сварку алюминия.

Находят применение и соединения лития. Из них особого внимания заслуживает соединение лития с водородом — гидрид лития, играющий роль своеобразного материала для получения водорода. Стоит только подействовать водой на это соединение, как начинается выделение водорода. Из одного килограмма гидрида лития можно получить 2800 л водорода. Таким образом, из двух килограммов гидрида лития получается почти столько же водорода, сколько его содержит стальной баллон весом в 80 кг, в котором водород находится под давлением в 120–150 атмосфер. Поэтому гидрид лития можно рассматривать как удобную «компактную упаковку» водорода. Главная область применения гидрида лития — термоядерные процессы.

Соединения лития применяются в керамике для приготовления глазурей и эмалей, в стеклоделии — для производства «опаловых» стекол и фильтров, пропускающих ультрафиолетовые лучи. Добавка едкого лития в щелочные аккумуляторы значительно повышает их электроемкость. Некоторые соединения лития (углекислый литий, салициловокислый литий) применяются в медицине для растворения мочевой кислоты. Накопление ее является причиной подагры. Даже в произведении Некрасова «Кому на Руси жить хорошо» бывший господский слуга с гордостью рассказывает о подагре путникам, ищущим счастливого человека на Руси:

«…Болезнью благородною, Какая только водится У первых лиц в империи, Я болен, мужичье! По-да-грой именуется!»

Одной из сложных технических задач в практике плавания на подводных лодках является очистка воздуха от углекислоты при помощи соединений лития. Решение этой проблемы было важно для космонавтов, оповестивших мир о новой победе человеческого разума.

Литий встречается в солях, входящих в состав растительных организмов. Однако функция его в них не выяснена. Особенно много лития содержат бурые и красные морские водоросли. В наземных растениях литий в сравнительно больших количествах находится в лютике, татарнике и табаке. При сгорании табачных листьев часть соединений лития остается в золе (табачный пепел). Пользуясь способностью соединений лития ускорять (катализировать) некоторые реакции, можно показать наличие лития в табачном пепле в эффектном «фокусе» зажигания сахара от пламени спички.

Если поджечь кусок сахара пламенем спички, сахар начинает плавиться, но не горит. Если же место, где нагревается сахар, посыпать табачным пеплом, то можно легко поджечь сахар, который в присутствии солей лития начинает гореть, как бумага.

В животных организмах литий содержится главным образом в печени и легких.

Металл сладкой «земли»

4. Бериллий — Beryllium (Be)

В 1798 г. французский химик Вокелен изучал свойства минерала, известного в науке как берилл.

Бериллом (от греческого слова «бериллос» — блестящий — название камня) назывался особый минерал, прозрачные разновидности которого, окрашенные в зеленовато-голубой или зеленый цвет, издавна считались драгоценными камнями. Камни зеленовато-голубого цвета называются аквамаринами, камни, окрашенные в зеленый цвет, — изумрудами. Совершенно прозрачные изумруды очень редки и среди самоцветов зеленой окраски считаются самыми дорогими.

Изумруд — камень, цвет которого воспет поэтами всех стран мира. По словам индийских сказаний, изумруд «подражает цвету шеи молодого попугая … молодой травке … рисункам пера из хвоста павлина…». «Он зелен, чист и нежен, как трава весенняя…», — писал об изумруде A. И. Куприн. Восхищаясь изумрудами, современник М. В. Ломоносова академик B. М. Севергин говорил: «…В сравнении с ними никакая вещь зеленее не зеленеет…»

Отдал дань изумрудам и Вокелен. Интересуясь свойствами берилла, этого чудесного произведения природы, Вокелен выделил из этого минерала и достаточно подробно описал похожее на землистую массу вещество. Эта «земля» (а «землями» в химии с давних пор называли рыхлые, землистые продукты, получающиеся от прокаливания металлов на воздухе) за способность давать соединения, обладающие сладким вкусом, была названа глициной. Это название происходило от греческого слова «гликос», что означает сладкий.

В 1828 г. немецкий химик Фридрих Вёлер и француз А. Бюсси выделили из глицины металл. Этот металл от имени произведшей его сладкой «земли», «сладкозема», как до середины XIX в. называли глицину русские химики, был назван глицинием.

Впоследствии название этого металла произвели не от сладкой «земли», из которой он был получен, а от минерала, из которого была получена впервые сама сладкая «земля». Так в химическом языке появилось новое название глициния — бериллий. С течением времени это название вновь открытого металла было принято химиками почти всех стран. Между прочим во Франции до сих пор бериллий называют глицинием, или глицием, употребляя для этого латинское слово «глюцинум» и знак атома Gl — вместо «бериллиум» и Be.

На долю бериллия приходится 0,001 % (столько же, сколько и на цинк) от общего количества атомов земной коры. Поэтому бериллий можно считать достаточно распространенным элементом природы.

В чистом виде бериллий представляет собой легкий (пл. 1,82), твердый (легко режет стекло), стойкий к коррозии, серо-стального цвета металл. Подробное исследование соединений бериллия было впервые произведено русским химиком И. Авдеевым, который определил эквивалентный вес бериллия.

В технике бериллий является сравнительно молодым металлом. Недавно исполнилось 25 лет его службы на пользу технического прогресса. Бериллий применяется в металлургии. Добавление небольших количеств бериллия к некоторым металлам придает получаемым сплавам такие свойства, которыми не обладают ни сам бериллий, ни те металлы, в которые он добавляется. Так, например, добавка бериллия к меди в несколько раз повышает ее твердость, прочность и химическую устойчивость, не уменьшая при этом электропроводности. Сплав меди с 2 % бериллия (бериллиевая бронза) в два раза тверже нержавеющей стали и очень устойчив по отношению к механическим и химическим воздействиям. Из такого сплава изготовляют различные инструменты (зубила, головки молотков, шахтерские кирки и т. д.). В отличие от стальных изделий, бериллиевая бронза не высекает искр при ударе о камень или металл. Это очень важно при работе в шахтах, при открывании тары с воспламеняющимися веществами, когда случайная искра может явиться причиной сильного взрыва. Добавка 1 % бериллия к рессорной стали чрезвычайно повышает прочность и долговечность изготовляемых изделий. Особенно важным свойством является то, что пружины из такого сплава не теряют упругости даже при высокой температуре (красного каления).

С развитием техники высотных полетов сплавы бериллия с магнием, алюминием, титаном и другими металлами приобретают особое значение для постройки стратопланов и ракет.

Большую роль для увеличения долговечности и работоспособности машин и механизмов имеют свойства поверхностей их деталей. Облагораживание поверхности металла, повышение ее твердости и устойчивости имеет решающее значение для продолжительности «жизни» деталей. Эти качества поверхности деталей придает бериллий. Для этого изделие достаточно выдержать в порошке бериллия при 900–1000 °C, и поверхность станет вдвое тверже, чем у лучших сортов закаленной стали.

Способность бериллия более всех остальных устойчивых на воздухе металлов пропускать рентгеновские лучи используется в рентгенотехнике для изготовления «окошек» в рентгеновских трубках (так называются сделанные из бериллия части рентгеновских трубок, через которые пропускают лучи).

Бериллий занимает видное место в истории развития учения о строении атома к его ядра. В 1930 г. было обнаружено, что при бомбардировке бериллия ядрами атомов гелия (альфа-частицами) атомы бериллия начинают испускать «лучи», проходящие через слой свинца в несколько сантиметров толщины.

Природу бериллиевого излучения удалось установить Чедвику в 1932 г. Оказалось, что оно представляет собой поток частиц с массой приблизительно равной массе протонов, но в отличие от них не несущих электрического заряда. Эти частицы были названы нейтронами.

Отсутствие электрических зарядов чрезвычайно облегчает внедрение нейтронов в атомные ядра других элементов, делая нейтрон эффективным «снарядом» атомной артиллерии для осуществления ядерных реакций.

Простейшим источником нейтронов может служить стеклянная ампула с порошком бериллия в смеси с небольшим количеством радия. Наличие в такой ампуле 0,1 г соли радия обеспечивает получение нескольких сот тысяч нейтронов в каждую секунду.

Высокая огнеупорность окиси бериллия (температура плавления выше 2500 °C), а также большая инертность ее в нагретом состоянии ко многим расплавленным металлам и их солям используется для изготовления огнеупорных тиглей.

Окись бериллия входит в состав массы для пломбирования зубов — зубных цементов и ускорителей (катализаторов) при получении некоторых органических веществ. Окись бериллия находит также применение в люминесцентных лампах дневного освещения, излучающих желтовато-белый свет.

Все растворяемые соединения бериллия ядовиты, большинство из них обладает сладким, слегка вяжущим вкусом.

Без него не цветут растения

5. Бор — Borum (B)

Соединения бора были известны еще арабским алхимикам. В сочинениях легендарного Джабир-ибн-Хайяна, жившего около 721–815 гг. в Багдаде при известном калифе Гарун-аль-Рашиде, одно из этих соединений обозначалось словом «борак», «борака», что значило «блестеть». Возможно, что так называлось распространенное соединение бора — борная кислота — белое твердое вещество, плоские, чешуевидные кристаллы которого имеют характерный перламутрово-стеклянный блеск. Борную кислоту арабские алхимики получали из Тибета, где с древних времен известны озера, содержащие это вещество.

Из Тибета вывозилось и важнейшее соединение бора, большие, бесцветные и прозрачные кристаллы которого арабы называли бурой. От старинного названия буры — «боракс» произошло в конечном итоге название бора.

Бор — довольно распространенный элемент на Земле. Его в 5 раз больше, чем свинца, и в 250 раз больше, чем серебра. Бора в земной коре содержится 0,0005 %. Важнейшие соединения бора встречаются в воде озер Тибета (Китай), Тосканы (Италия), в некоторых горячих источниках. В вулканических местностях Италии борная кислота вместе с водяным паром выделяется из трещин земной коры. В окрестностях гавани Пандермы на побережье Мраморного моря, в Китае, Калифорнии, в Южной Америке находятся большие залежи минералов, содержащих бор.

Соединения бора входят в состав буровых вод нефтеносных месторождений и золы каменных углей. В незначительных количествах бор содержится в растительных (от 0,0001 до 0,1 % от веса сухого вещества) и животных организмах.

Несмотря на давнее знакомство человека с химическими соединениями бора, в более или менее чистом виде элемент был получен французскими учеными Гей-Люссаком и Тенаром только в 1808 г. Бор, весьма тугоплавкое вещество (температура плавления 2075 °C), известен в виде аморфного зеленовато-бурого порошка или мелких кристаллов, имеющих металлический блеск и по твердости почти не уступающих алмазу. При обычных условиях бор — исключительно инертное вещество, при высоких температурах он становится активным и легко соединяется с кислородом, хлором, бромом, серой и азотом.

В отличие от своих соединений — буры и борной кислоты, применявшихся в ряде отраслей промышленности (стекольной, керамической, кожевенной, а также в сельском хозяйстве и медицине), бор долгое время не использовался. Лишь сравнительно недавно бор стали применять в металлургии. Добавленный в сотых долях процента в сплавы алюминия, меди, никеля и др., бор значительно улучшает качества этих сплавов.

Прибавка небольших количеств бора в быстрорежущую сталь значительно повышает ее режущие свойства, что объясняется способностью бора давать при высоких температурах соединения с другими металлами (так называемые бориды,) обладающие большой твердостью и устойчивостью. Бор, как и бериллий, используется для повышения износоустойчивости поверхности стальных деталей. Насыщение поверхности стальных изделий бором (борирование) повышает устойчивость изделия к износу во много раз.

Сравнительно малая при обычной температуре электропроводность бора повышается более чем в сто раз при нагревании до 600 °C, что используется в технике полупроводниковых материалов.

Исключительные свойства соединений бора нашли отражение в научно-фантастических произведениях. Так фантастический звездолет, описанный в произведении И. А. Ефремова «Туманность Андромеды», имел двигатели из нитрида бора («борозоновые цилиндры погасли…»). Действительно, нитриды бора (борозоны) чрезвычайно прочны и тверды.

Хотя запасы бора в природе и огромны (например, только в штате Калифорния их оценивают в 100 млн. т), однако 1 кг металлического бора в США стоил в 1957 г. 550 долларов, в то время как менее распространенный молибден — всего 6 долларов. Причина подобного противоречия состоит в распыленности соединений бора. Бор необходим для нормального развития растений. При недостатке его замедляется их рост, прекращается цветение и образование плодов. Полное отсутствие бора в почве ведет к гибели растений. Однако избыток этого элемента также неблагоприятно отражается на жизнедеятельности растений, а у животных (овец) является причиной воспаления кишок, известного под именем борного энтерита. Относительно много бора в свекле и брюкве, очень мало в зерновых культурах, больше в лесных почвах, чем в подзолистых и торфяных.

Особый интерес вызывают соединения бора с водородом — соединения, обладающие отвратительнейшим запахом и … высокой теплотворной способностью. При запуске одного американского спутника такое соединение было применено в качестве топлива.

У бора всего два устойчивых изотопа, совершенно сходных по химическим свойствам, но резко отличающихся по некоторым физическим качествам. Так, пластинка толщиной 0,1 мм из бора-10 полностью поглощает тепловые нейтроны; зато такая же пластинка из бора-11 совершенно «прозрачна» и пропускает тепловые нейтроны.

Миллионер

6. Углерод — Carboneum (C)

Что может быть общего между пестрым букетом цветов и куском каменного угля? Что общего между разнообразным содержимым склянок, аккуратно расставленных на полках аптечных шкафов, и нефтью?

Общего, конечно, мало! И долго пришлось бы искать такого чудака, который своей возлюбленной вместо духов решился бы преподнести… кусок каменного угля. Правда, в Париже была мода на бусы из… антрацита. Не нашлось бы, пожалуй, и врача, рекомендовавшего своим пациентам вместо лекарств натуральную нефть.

Однако и черный, невзрачный, тускло поблескивающий в солнечных лучах кусок каменного угля, и пестрый букет цветов, и нефть — все они содержат углерод, без которого невозможно существование ни медикаментов, ни большинства взрывчатых веществ, ни огромного множества так называемых органических соединений, из которых в свою очередь состоят организмы человека, животных и растений.

Углерод — единственный из элементов, способный только с одним водородом давать бесчисленное множество соединений. Это объясняется своеобразием химического строения атомов углерода. В отличие от большинства других элементов атомы углерода способны химически соединяться между собой, образуя при этом то прямые, то разветвленные цепочки, то замкнутые, кольцеобразные молекулярные структуры. Число атомов углерода в таких соединениях колеблется от единиц до многих десятков и даже сотен. Если учесть, что свободные валентности (атом углерода четырехвалентен), помимо водорода, могут быть насыщены атомами или группами атомов других элементов, то число возможных соединений углерода становится буквально неисчислимым.

И если число минералов, т. е. природных неорганических соединений, достигает 3 тыс., а из всех, кроме углерода, элементов, вместе взятых, усилиями химиков получено около 50 тыс. соединений, то число соединений, содержащих углерод, уже сейчас составляет не менее 2 млн.

Благодаря способности углерода давать огромное количество различных соединений возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных. Достаточно указать, что одних только видов насекомых некоторыми исследователями насчитывается не менее 2–3 млн. Общее число видов растений на земном шаре близко к 500 тыс., число видов позвоночных превышает 57 тыс.

Однако углерод не определяет основной массы живого вещества и составляет в среднем не более 10 % ее веса. Но и при такой величине общее количество углерода, содержащегося в живом веществе, по данным академика В. И. Вернадского, составляет 100 000 млрд. т. Такое же количество углерода находится в океанах и морях земного шара. 20 000 млрд. т углерода содержится в каменном угле. 2000 млрд. т углерода «висит» в атмосфере, где углерод находится в виде углекислого газа. Больше всего углерода входит в состав известняков, мела, мрамора — тех видов углеродных соединений, из которых сложены некоторые горы и горные хребты.

Все виды соединений углерода в природе так или иначе связаны с живым веществом. И даже огромные количества известняков, мрамора и мела, в которых количество углерода в тоннах выражается цифрой 3 с шестнадцатью нулями, обязаны своим происхождением живому веществу. Микроскопические организмы — корненожки, в несметных количествах жившие в теплых водах первобытных морей, строили свои скелеты из карбоната кальция. После смерти корненожек скелеты их падали на дно, где, скапливаясь и уплотняясь в течение миллионов лет, образовали пласты известняков. Площадь, занимаемая обнаженными и погребенными углекислыми породами (известняками, мелом, мрамором и др.), составляет на всем земном шаре 40 000 000 км2.

После высыхания или перемещения морей, а также в результате горообразования толщи известняков выходили на поверхность или оставались в глубинах земной коры. В последнем случае известняки под влиянием высокой температуры превращались в новые соединения углерода, а частью разлагались с выделением углекислого газа. Этот газ в свободном виде или растворенный в воде, встречаемой на пути его движения по трещинам земли, выходил на ее поверхность и рассеивался в атмосфере.

Большие количества углекислого газа выбрасываются в атмосферу действующими вулканами. Так, например, известен случай, когда от выделившегося при извержении Везувия углекислого газа погибло множество мелких животных.

В некоторых местах земного шара углекислый газ постоянно в больших количествах выделяется из глубины земли. Около двадцати столетий известна человечеству «Собачья пещера» возле Неаполя. В ней тяжелый углекислый газ стелется по дну пещеры слоем до полуметра. Собаки, попадающие в эту пещеру, задыхаются и погибают, хотя для человека пребывание в пещере безопасно. Отсюда и произошло название пещеры, без упоминания о которой в прошлом не обходился, пожалуй, ни один учебник химии, на что с оттенком своеобразного юмора намекает А. П. Чехов в своем рассказе «Зиночка». Пещеры с углекислым газом, подобные неаполитанской, встречаются в знаменитом Иеллоустонском заповеднике в США.

Мощные выходы углекислого газа находятся в Индонезии. Обширная и глубокая впадина, существующая у подножия одного из вулканов на острове Ява, известна под названием Долины смерти. Дно ее усеяно множеством скелетов животных и даже людей, случайно попавших туда и задохнувшихся в атмосфере углекислого газа, наполняющего долину.

Огромные количества углекислого газа выносятся водными источниками, изливающимися в окрестностях потухших вулканов. Особого упоминания заслуживает красавец Кавказского хребта Эльбрус, возле которого встречаются источники, насыщенные углекислым газом. Всемирно известный курорт Кисловодск своим появлением обязан «Нарзану» — одному из таких источников. Ежесуточно этот источник выносит около двух с половиной миллионов литров минерализованной воды, содержащей до 5 т свободного углекислого газа.

Вне Земли углекислый газ обнаружен спектроскопически в атмосфере Венеры — ближайшей к Земле планете, которая, уступая в яркости только Солнцу и Луне, является настоящим украшением звездного неба. Она то ярко вспыхивает на небосклоне после захода Солнца первой «вечерней звездой», то сверкает перед восходом светила прекрасной звездой утренней зари.

Бывалые альпинисты, устраиваясь на ночевку высоко в горах, обязательно устанавливают палатку на площадке с наклоном к выходу для облегчения ухода тяжелого углекислого газа, выделяемого при дыхании. В противном случае спящего ожидают не только страшные сновидения в результате удушья, но и более печальные последствия.

Углекислый газ поглощается растениями. Без углерода, входящего в состав углекислого газа, невозможен синтез растительных углеводов, жиров, белков и других органических веществ.

Из углекислого газа, содержащегося в атмосфере, растения извлекают ежегодно не менее 15 млрд. т углерода. В процессе выветривания горных пород на образование углекислых солей ежегодно расходуется из атмосферы от одного до двух млрд. т углерода. В результате подобных природных процессов атмосфера обедняется углекислым газом. В атмосфере сейчас содержится не более 0,03 % углекислого газа по объему. Углекислый газ способен пропускать на Землю солнечные лучи и задерживать в значительной мере обратное излучение тепла земной поверхностью. Колебание содержания углекислого газа в атмосфере влияет на изменение климата Земли.

В минувшие геологические эпохи в атмосфере содержалось значительно больше углекислого газа и средняя годовая температура на Земле была значительно выше, чем сейчас. Вычисления показывают, что при полном удалении углекислого газа из атмосферы средняя температура земной поверхности понизилась бы на 20°. Ледяные шапки на полюсах стали бы значительно больше, чем сейчас. Граница вечной мерзлоты сместилась бы по направлению к экватору. Однако опасаться этого не приходится. Запасы углекислого газа в атмосфере непрерывно пополняются за счет сжигания древесины, торфа, каменного угля, нефти и других углеродсодержащих веществ, а также за счет промышленных процессов, идущих с выделением большого количества углекислого газа (обжиг известняка, металлургия и др.). Чтобы судить о величине этой деятельности, достаточно указать, что за счет сжигания только одного каменного угля в атмосферу ежегодно возвращается более миллиарда тонн углерода.

Можно утверждать, что общее содержание углекислого газа в атмосфере современной нам эпохи не только остается одинаковым, но, возможно, и медленно возрастает.

Из углекислого газа и воды растения создают органические вещества, составляющие ткани самих растений. Животные, питаясь растениями, используют их органические вещества для создания собственных органических веществ. После смерти животных и растений органические вещества подвергаются различным превращениям. В прошедшие геологические эпохи в зависимости от условий, в которых протекали изменения этих веществ, образовались различные виды нефти и каменного угля — основной энергетический материал в практической деятельности людей. Запасы угля и нефти распределены на земном шаре неравномерно. Поэтому история развития капитализма в известной мере есть история борьбы капиталистических стран за обладание источниками нефти и каменного угля. В наше время мы являемся свидетелями этой борьбы между крупнейшими капиталистическими странами Западной Европы и США.

Нефть — это в основном смесь различных соединений углерода с водородом. Она представляет собой нерастворимую в воде маслянистую коричнево-бурую или черную жидкость с зеленоватым отливом; плотность ее 0,75–0,95. Из глубоких нефтяных пластов добывают нефть и более тяжелую.

Химизм происхождения нефти до сих пор еще недостаточно выяснен. В 1876 г. Д. И. Менделеев выдвинул «минеральную» теорию образования нефти. По этой теории нефть образуется в результате взаимодействия воды, проникающей в недра земли, с находящимися в ее глубинах раскаленными карбидами.

С химической точки зрения эта теория является вполне вероятной. Однако изучение состава и свойств нефти из различных месторождений говорит против ее «минерального» происхождения. Оставлена в настоящее время также и «космическая» теория происхождения нефти, согласно которой нефть рассматривалась как продукт сжижения углеводородов, наличие которых предполагалось в первичной земной атмосфере (на примере присутствия газообразного метана в атмосфере планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна). Наиболее вероятной и ныне общепринятой считается «органическая» теория происхождения нефти, рассматривающая нефть как продукт превращения останков простейших организмов, существовавших в теплых и мелководных бассейнах минувших геологических эпох. Бурное развитие растительности, главным образом простейших водорослей, подобное наблюдаемому ныне «цветению» озер, вело к столь же бурному развитию животных организмов и накоплению на дне водоемов в короткие сроки огромного количества органических останков. О поразительной величине накапливаемого материала можно судить по скорости размножения некоторых простейших организмов. Так, например, зеленая диатомовая водоросль в наиболее благоприятных условиях развития может за месяц дать 2 · 1019 (20 миллионов биллионов) тонн вещества, т. е. массу, равную весу всего поверхностного слоя Земли толщиной … в 16 км. Несмотря на то, что условия среды (температура, наличие необходимых для питания элементов и др.) резко ограничивают возможности размножения, скорость его остается все же достаточно большой. И даже в современных океанах скопления простейших организмов в верхних слоях воды (планктон) и в придонных слоях (бентос) исчисляются громадной цифрой — в 100 млрд. т. Однако это количество составляет не более одного процента от ежегодного прироста планктона и бентоса, составляющего основу питания большинства морских организмов.

В минувшие геологические эпохи, когда условия для размножения простейших организмов были более благоприятны, а потребителей планктона и бентоса существовало значительно меньше, накапливались огромные количества останков простейших. Они медленно, на протяжении многих миллионов лет разлагались без доступа воздуха, скапливались на дне мелководных бассейнов, засыпаясь глиной и песком, и превращались в жидкие соединения, известные теперь под названием нефти. Не исключена возможность образования нефти и из останков более высокоорганизованных животных (например, рыб), массами гибнувших в водоемах. Опыты исследователей с нагреванием жиров животного происхождения без доступа воздуха под большим давлением приводят к образованию жидких продуктов, весьма похожих на нефть.

Если в образовании нефти участвовали останки простейших организмов, населявших мелководные бассейны, то материалом для образования каменного угля послужила главным образом роскошная флора, около 200 млн. лет назад достигшая максимума своего развития.

Период времени в истории Земли, знаменующийся бурным развитием растительного царства, давшим материал для образования каменных углей, геологи называют каменноугольным. Длительность этого периода составляла не менее 75 млн. лет.

Однако пышная растительность в условиях тропического климата была сравнительно однообразна. Представленная гигантскими лепидодендронами, каламитами, сигаляриями и другими древовидными растениями, отдаленно напоминающими современные папоротники, хвощи и плауны, флора каменноугольного периода образовывала обширные леса, насчитывавшие до 200 видовых форм.

Горообразовательная деятельность Земли часто сопровождалась значительными опусканиями суши и наступлением морей, затоплявшими обширные площади лесов. Создавались условия для разложения отживших растений без доступа воздуха. Оно сопровождалось выделением ряда летучих продуктов распада и постепенным обогащением углеродом. Так на протяжении длительного времени происходило образование огромных залежей торфа. Дальнейшая судьба его определялась особенностями геологической истории данного района. В том случае, когда погружение поверхности суши было небольшим и залежи торфа покрывались тонкими слоями осадочных пород (глиной, песком и др.), торф превращался в бурый уголь. При значительном погружении и мощном накоплении осадков торф, подвергаясь большому давлению, а иногда и действию высокой температуры, превращался в различные виды каменного угля и антрацит.

В 1913 г. на Международном геологическом конгрессе в городе Торонто (Канада) впервые были подсчитаны мировые запасы каменного угля. Они определялись в 7400 млрд. т. Спустя 24 года на Международном конгрессе в Москве мировые запасы угля исчислялись уже в 7900 млрд. т. Очевидно, что и эта цифра не является окончательной и точной, так как по мере совершенствования и расширения геологоразведочного дела не только уточняются запасы старых месторождений, но и открываются новые залежи каменного угля. Лучшие сорта ископаемых каменных углей содержат до 99 % углерода.

Свободный углерод встречается либо в виде прозрачного, играющего огнями всех цветов радуги драгоценного самоцвета — алмаза, либо в виде непрозрачного темно-серого, почти черного, жирного наощупь вещества — графита.

Алмазы были известны еще народам древности. Само слово «алмаз» происходит или от арабского «ал-мас», что значит «твердейший», или от греческого слова «адамас», означающего «несокрушимый», «непреодолимый». И то и другое название намекает на твердость алмаза, который действительно является самым твердым из всех природных минералов.

Долгое время природа алмаза была загадкой и его считали чистейшим образцом горного хрусталя. В 1649 г. флорентийские академики нагрели алмаз так, что «не нашли» от него ни малейшего следа, установив тем самым, что алмаз горюч.

Долгое время считали, что крупные алмазы можно получить путем сплавления мелких[8]. В 1773 г. в Петербурге в Горном училище выдающийся русский минералог А. М. Карамышев, желая опровергнуть это мнение, произвел «сжигание алмаза нарочитой величины».

Однако только после опытов английского химика Теннана, сжегшего в 1797 г. алмаз в плотно закрытом золотом футляре, было доказано, что алмаз не что иное, как чистый углерод.

Долгое время единственными поставщиками алмазов были Индия и остров Борнео. В 30-х годах XVIII в. были обнаружены алмазы в Бразилии, в 1851 г. — в Австралии, наконец, в 1867 г. — в Южной Африке.