Органические вещества вокруг нас

«Черное золото» — нефть

Ни коксохимия, ни лесохимия, ни другие менее крупные источники органических веществ не смогли, однако, удовлетворить все возрастающую потребность человечества в химическом сырье. Начиная с 20-х годов нашего века важнейшими источниками органических продуктов стали нефть и природные газы.

Нефть — это смесь углеводородов самого разнообразного строения. Их молекулы представляют собой и короткие цепи атомов углерода, и длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Кроме углеводородов нефть содержит небольшие количества кислородных и сернистых соединений и совсем немного азотистых.

Нефть образовалась на Земле в прошлые геологические эпохи в результате разложения грандиозных скоплений растительных и животных остатков, особенно морского планктона. В ходе геологических процессов нефть видоизменялась, перемещалась из одних слоев в другие и, наконец, образовала известные нам крупные месторождения: на Кавказе, в Поволжье и Приуралье, в Западной Сибири, в Иране и Ираке, в Калифорнии и Техасе, в Венесуэле, в Сахаре и в других районах земного шара.

Очень интересна история добычи и переработки нефти. Как и многие другие источники органических веществ, она была известна многим древним народам. Раскопки на берегах Евфрата установили, что за 6000—4000 лет до н. э. нефть применяли как топливо. Есть сведения, что у нас на Кавказе нефть использовалась 2000 лет тому назад. Арабский историк Истархи, живший в X в., свидетельствует, что с древних времен бакинцы вместо дров жгли землю, пропитанную нефтью. Нефть издавна вывозили из Баку в качестве осветительного материала.

Бурение скважин и промышленная добыча нефти начались, однако, гораздо позже — только с середины XIX в. Нефть и продукты ее переработки (керосин) применяли для освещения. Потом нефть и мазут стали употреблять как топливо для паровых котлов (пароходных и паровозных), а также для получения смазочных материалов. С появлением двигателей внутреннего сгорания, в том числе дизелей (получивших название по фамилии немецкого изобретателя Р. Дизеля), продукты переработки нефти — керосин, соляровое масло и более тяжелые масла стали широко применять как топливо. Именно это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти — прямая гонка. Этот метод заключается в перегонке нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатых печах. Сначала отгоняются наиболее легкокипящие погоны (бензин, лигроин), потом более тяжелый — керосин. Бензины состоят из углеводородов с 5—10 атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны — из углеводородов с 10—15 атомами углерода. После перегонки остается мазут — густая черная жидкость. Он употребляется как топливо или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие — соляровые, более тяжелые — веретенные и машинные и, наконец, тяжелые — цилиндровые.

В начале нашего века произошли коренные изменения в нефтепереработке. Быстрое распространение карбюраторных бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием для автомобилей (а позже в авиации) потребовало очень много бензина. Это привело прежде всего к усовершенствованию нефтедобычи, так как при старом открытом способе много легкокипящих фракций испарялось на воздухе. Однако этого было недостаточно. При прямой гонке получалось сравнительно мало бензиновых фракций, и они не могли удовлетворить все возрастающий спрос. Особенно остро ощущалась нехватка бензина в годы первой мировой войны. Тогда в промышленность был введен крекинг-процесс — разложение углеводородов нефти под влиянием высокой температуры. При нагревании до 500—600° С углеводородные цепочки разрываются и образуются осколки с меньшим числом атомов углерода в молекуле, т. е. повышается содержание легкокипящих фракций. Промышленное освоение крекинг-процесса сразу повысило ресурсы бензина. Однако качество бензинов термического крекинга было не всегда удовлетворительным. А высококачественный бензин был нужен авиации.

Русский химик Н. Д. Зелинский предложил усовершенствовать крекинг с помощью ускорителей процесса — катализаторов. В качестве катализатора он применил хлористый алюминий. Французскими инженерами был предложен алюмосиликатный катализатор. В его присутствии происходило образование фракций, содержащих высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.

Однако жизнь шла вперед. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания становились все быстроходнее, все мощнее и в то же время все легче и меньше по размерам. Этого удалось достичь, повышая степень сжатия топлива в цилиндрах двигателя. Однако в момент сильного и быстрого сжатия паровоздушная смесь преждевременно взрывалась — детонировала. Это приводило к стукам в двигателе и потере мощности. Борьба с детонацией на долгое время стала главной задачей улучшения методов нефтепереработки. Оказалось, что различные углеводороды, содержащиеся в бензинах, детонируют с различной легкостью. Углеводороды с сильно разветвленными цепочками атомов, а также ароматические детонировали труднее, чем углеводороды с нормальной цепочкой атомов углерода.

Дефолианты — вещества, которые вызывают опадение листьев у растений, нужны, например, для обработки посевов хлопчатника перед сбором урожая. На снимке: хлопкоуборочная машина.

Способность бензинов противостоять детонации характеризуют так называемым октановым числом: чем оно выше, тем бензин лучше. Значит, и нефть нужно перерабатывать так, чтобы получать бензины с возможно большими октановыми числами. Кроме каталитического крекинга появились новые процессы нефтепереработки — риформинг, платформинг. Особое значение в них получили реакции ароматизации нефтяных углеводородов, открытые и разработанные советскими химиками. Промышленность стала даже на путь синтеза углеводородов с разветвленной цепью (изооктана и триптана), чтобы использовать их как добавки к бензинам и повышать, таким образом, антидетонационные свойства. Особенно успешно стали применять специальные добавки к топливу — так называемые антидетонаторы. Добавленные в небольшом количестве к бензину, они значительно повышают его октановое число. Таков тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Бензин с этим антидетонатором (этилированный) очень ядовит. Будьте всегда осторожны с этилированным бензином : не обливайте им руки, старайтесь, чтобы бензин случайно не попал вам в рот или в глаза.

Теперь найден лучший антидетонатор, чем ТЭС. Это вещество со сложным названием — циклопентадиенилтрикарбонил марганца, или ЦТМ. Как видно из названия, это органическое вещество содержит марганец. Скоро появятся в гаражах «марганцевые» бензины.

Казалось, переработка нефти решила все проблемы, поставленные перед ней автомобильными и авиационными конструкторами. Но жизнь шла вперед, и на смену двигателям внутреннего сгорания пришли реактивные и ракетные двигатели. Оказалось, что здесь не нужны высокие октановые числа. Наоборот, лучшее топливо — это углеводороды с прямыми малоразветвленными цепочками атомов углерода или кольчатые, и притом не бензиновые фракции, а керосиновые и солярные. Все наоборот! И снова поиск, снова открытия, снова изменения нефтепереработки.

И это еще не все! До сих пор речь шла о применении нефтепродуктов в качестве топлива. Менялись типы двигателей: от паровых машин к дизелям, к бензиновым моторам, потом к реактивным двигателям. Но в них использовалось только тепло, образующееся при сгорании топлива!

Для химика-органика сжигание нефтяных углеводородов — непростительное расточительство. Ведь эти углеводороды так нужны для химического синтеза! Из них можно сделать так много ценных химических продуктов! И нефтехимический синтез выступил мощным конкурентом транспорта в потреблении нефти. Прежде всего пошли в дело нефтяные газы, состоящие из углеводородов с маленькими цепочками атомов углерода — от 1 до 5, Из этилена СН2 = СН2 можно получать этиловый спирт, а из него — синтетический каучук (СК). Из этилена же получается прекрасный широкоизвестный полимер полиэтилен. Из пропилена СН₃СН = СН₂ можно получить изопропиловый спирт и ацетон; пропилен нужен для производства фенола, наконец, из него можно получить полипропилен и акрилони-трил — сырье для производства синтетической шерсти. Другие нефтяные газы тоже находят важное применение в нефтехимическом синтезе. Значит, нефтепереработку нужно вести иначе. Нужно получать как можно больше газов, молекулы которых содержат двойные связи между атомами углерода.

Между нефтью — топливом и нефтью — химическим сырьем началась напряженная борьба. Конечно, в настоящее время и в ближайшее время нефть будут использовать главным образом как топливо. Однако доля нефти, расходуемая на химическую переработку, непрерывно возрастает.

А совсем недавно появился еще один возможный потребитель нефти. Он пока еще «младенец», и ему многр нефти не нужно. Но как знать? Это микробиологическая переработка нефти на... белки. Нашлись бактерии, которые хорошо живут на нефти, потребляя ее в пищу. Нефть исчезает, бактерии растут. Постепенно (и не так уж медленно) исчезает значительная часть нефти, и вместо нее образуется масса клеток бактерий, содержащая много белка, который можно использовать как корм. В настоящее время предпринимаются попытки вырастить такие бактерии, которые поглощали бы из нефти только ненужные примеси. Это может привести к появлению микробиологических нефтеочистительных заводов, побочной продукцией которых будет кормовой белок.

До сих пор шла речь о газах нефтепереработки. Однако есть и природный газ, образующий громадные скопления в толще земли. Природный газ в основном состоит из метана СН₄. Он добывается в громадных количествах и используется как горючее для промышленных и бытовых целей. Вместе с нефтяными газами, сопутствующими нефти, и газами нефтепереработки природный газ является важным источником для синтеза разнообразных органических веществ. Самый большой химический потребитель газа — промышленность полимерных материалов (см. ст. «Полимеры»).