Урок 4. Химические элементы в живых организмах

Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.

 

Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству

Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.

Элементы, обладающие всеми восьмью электронами внешнего энергетического уровня (у гелия 2) являются инертными, т. е. нереактивными. К ним относятся: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие благородные газы. Напротив, элементы с семью электронами внешнего энергетического уровня, такие как фтор (F), хлор (Cl) и бром (Br) реактивны. Как правило, они получают дополнительные электроны, необходимые для заполнения энергетического уровня.

Другие элементы с одним электроном в их внешнем энергетическом уровне: литий (Li), натрий (Na) и калий (K) имеют тенденцию к потере одного своего электрона.

Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Таким образом, Периодическая таблица Менделеева демонстрирует правило октета, или правило восьми (лат. Octo – «восемь»): атомы стремятся полностью восстановить свои внешние энергетические уровни, дополнить количество электронов на них до 8.

Химические элементы в составе живых организмов

Отгадайте,  о составе какого объекта идёт речь?

• 43 кг кислорода,
• 18 кг углерода,
• 7 кг водорода,
• 1,8 кг азота,
• 0,780 кг фосфора,
• 0,0042 кг железа
• и ещё около 20 химических элементов.

Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.

Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов

В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.

Основные химические элементы в живых организмах — это:

• углерод – C,
• водород – H,
• кислород – O,
• азот – N,
• фосфор – P,
• сера – S,
• натрий – Na,
• калий – K,
• кальций – Ca,
• магний – Mg,
• железо – Fe,
• хлор – Cl.

Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.

Таб. 1. Химические элементы в живых организмах
Органогенные (биоэлементы), или макронутриенты	Макроэлементы	Микроэлементы (от 0,001 % до 0,000001 % массы тела)	Ультрамикроэлементы (менее 0,000001 %)
Кислород — 65 %; Углерод — 18 %; Водород — 10 %; Азот — 3 %.	Кальций (Са) – 0,04-2,00 Фосфор (Р) – 0,2-1,0 Калий (К) – 0,15-0,4 Сера (S) – 0,15-0,2 Хлор (Cl) – 0,05-0,1 Натрий (Na) – 0,02-0,Ц03 Магний (Mg) – 0,02-0,03 Железо (Fe) – 0,01	Кремний (Ci) – 0,001(для растений – микроэлемент) Цинк (Zn) – 0,0003 Медь (Cu) – 0,0002 Фтор (F) – 0,0001 Йод (I) – 0,0001 Марганец (Mn) – менее 0,0001 Кобальт (Co) – менее 0,0001 Молибден (Мо) – менее 0,0001	Золото Серебро Ртуть Селен Мышьяк Платина Цезий Бериллий Радий Уран

Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами.

Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах.

Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба.

Таб.2. Роль химических элементов в клетке

	Название химического элемента	Описание роли элемента в клетке
1	Кислород (О)	Входит в состав органических молекул и воды, обеспечивает реакцию окисления, в процессе которой выделяется нужная организму энергия
2	Углерод (С)	Составляет основу всех органических соединений
3	Водород (Н)	Является составной частью всех органических веществ и молекул воды
4	Азот (N)	Входит в молекулы белков, нуклеиновых кислот, АТФ
5	Кальций (Са)	Является составной частью клеточной стенки растений. У животных входит в состав костной ткани, эмали зубов, участвует в свёртывании крови и сокращении мышц
6	Фосфор (Р)	Нужен для формирования зубной эмали и костной ткани. Входит в состав органических молекул, таких как ДНК, РНК, АТФ
7	Калий (К)	В качестве катиона участвует в создании биоэлектрического потенциала, регулируя работу клеточной мембраны. Влияет на работу сердца, участвует в процессе фотосинтеза
8	Сера (S)	Есть в составе некоторых белков и аминокислот
9	Хлор (Cl)	Является основным анионом организма животных. Находится в составе соляной кислоты желудка
10	Натрий (Na)	В качестве иона (катиона) участвует в создании биоэлектрического потенциала мембран клеток, в синтезе гормонов и регуляции сердечного ритма
11	Магний (Mg)	Входит в состав зубной эмали, костной ткани, некоторых ферментов и хлорофилла
12	Железо (Fe)	Необходимый компонент гемоглобина и миоглобина, входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах фотосинтеза и клеточного дыхания
13	Кремний (Si)	Компонент клеточной оболочки растений. Принимает участие в образовании коллагена, костной ткани
14	Цинк (Zn)	Участвует в синтезе гормонов у растений, находится в составе инсулина и некоторых ферментов
15	Медь (Cu)	Принимает участие в процессах синтеза гемоглобина, фотосинтеза, клеточного дыхания. Входит в состав дыхательных пигментов крови (гемоцианинов) и гемолимфы некоторых беспозвоночных
16	Фтор (F)	Необходим для формирования костной ткани и зубной эмали
17	Йод (I)	Необходимый компонент гормонов щитовидной железы
18	Марганец (Mn)	Делает более активными некоторые ферменты, входит в их состав, принимает участие в формировании костной ткани и в процессе фотосинтеза
19	Кобальт (Со)	Принимает участие в процессе образования клеток крови, находится в составе витамина B12
20	Молибден (Mo)	Помогает клубеньковым бактериям связывать атмосферный азот

Таб. 3. Основные ионы в клетках

№	Название
		Описание объекта	Изображение	Роль в клетке
1	Катионы			Положительно заряженные ионы.
2		Катионы калия и натрия	К+ Na+	Основные катионы в организме животных. Они создают электрический потенциал клеточной мембраны, регулируют ритм сердечной деятельности.
3		Катионы кальция	Ca2+	Принимает участие в свёртывании крови, отвечает за сократимость мышц, входит в состав клеточной стенки растений.
4		Катион магния	Mg2+	Нужен растениям для осуществления фотосинтеза, так как он входит в состав хлорофилла. Является компонентом некоторых ферментов, есть в костной ткани и эмали зубов.
5		Катионы водорода	Н+	Отвечают за кислотность и основность внутренней среды организма (pH).
6	Анионы			Отрицательно заряженные ионы
7		Анионы хлора	Сl—	Хлор – основной анион клетки животных, принимает участие в создании электрического потенциала клеточной мембраны. Присутствует в составе соляной кислоты желудочного сока.
8		ОН—		Выполняет ту же роль что и катион водорода

Как соединяются химические элементы в живых организмах?

Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей:

• ионные – когда притягиваются атомы с противоположными зарядами;
• ковалентные – характеризующиеся обобщением (перекрытием) в облако пары валентных электронов от разных атомов;
• водородные – связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.

Ионные связи образуют кристаллы

В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме.

Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+).

Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов.

У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением.

Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl−
Автор: H Padleckas

Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-).

Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это:

• Ca₂+, обеспечивающий передачу клеточных сигналов;
• K + и Na +, участвующие в проведении нервных импульсов.

Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла.

Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы

Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H₂). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода.

Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода h3 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона
Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3. 0

Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам:

1. Она нейтральна, так как содержит 2 протона и 2 электрона.
2. Правило октета в ней выполнено. Каждый общий электрон атомов вращается вокруг обоих ядер.
3. У них нет неспаренных электронов.

Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи.

Прочность ковалентных связей

Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома  в молекулу газообразного азота (N₂).

Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H₂ и O₂. Структурный характер формулы для N₂ N ≡ N.

Молекулы с несколькими ковалентными связями

Огромное количество биологических соединений состоит более чем из двух атомов. Атом, который требует двух, трёх или четырёх дополнительных электронов для заполнения внешнего уровня, может приобрести их путём обмена с двумя и более атомами.

Например, атом углерода (С) содержит шесть электронов, четыре из них находятся на его внешнем энергетическом уровне и не имеют пары. Чтобы удовлетворить правилу октета, атом углерода должен образовать 4 ковалентных связи. Так как эти 4 скрепления могут производиться разными путями, углерод образует множество молекул, например: СО₂ (углекислый газ), СН₄ (метан), С₂Н₅ОН (этанол).

Модель атома углерода
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Полярные и неполярные ковалентные связи

Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется электроотрицательностью. В строке Периодической таблицы она увеличивается вправо и уменьшается книзу колонки, то есть элементы в правом верхнем углу имеют наиболее высокую электроотрицательность.

Для связи между двумя идентичными атомами, например между двумя атомами водорода или кислорода, электроны делятся поровну. Области их соединения называются неполярными. Таковы, например, молекулы Н₂, О₂.

При соединении значительно отличающихся по электроотрицательности атомов электроны не делятся поровну. Общие электроны, скорее всего, будут ближе к атому с большей отрицательностью, и хотя получившаяся молекула будет электрически нейтральной, заряд в ней распределится неравномерно. Неравномерность заряда приводит к областям частичной отрицательности (в районе наиболее отрицательного атома) и положительного заряда вблизи наименее отрицательного атома. Такие связи называются полярными ковалентными, а молекулы – полярными.

На схемах с изображением полярных молекул эти частичные заряды обозначаются греческой буквой Дельта (δ). Интересно, что хотя С и Н немного отличаются по электроотрицательности, связь между ними неполярна. Н₂О – полярная молекула, электроны в ней концентрируются около ядра атома кислорода. О воде мы будем говорить более подробно в следующем уроке.

Химические реакции взаимосвязаны и обратимы

Процессы образования и разрыва связей между атомами называются химическими реакциями. Все химические реакции обозначают перенос атома от одной молекулы в другое соединение, без каких-либо изменений в количестве или идентичности атомов. Для удобства оригинал молекул до начала реакции называют реагентом, а молекулы, образующиеся в результате реакции – продуктами. Например:

6H₂O + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, где 6H₂O + 6CO₂ – реагент, а C₆H₁₂O₆ + 6O₂– продукт. Это упрощённая формула реакции фотосинтеза, где вода и углекислый газ, вступая в реакцию, образуют молекулы глюкозы и кислорода.

Все химические реакции происходят под влиянием трёх факторов.

1. Температура. Нагрев реагентов увеличивает скорость реакции, потому что атомы при этом двигаются быстрее и сталкиваются друг с другом чаще. Но необходимо позаботиться о том, чтобы температура не поднялась слишком высоко и не разрушила молекулы.
2. Концентрация реагентов и продуктов. Реакции проходят быстрее, когда из-за более частых столкновений доступно больше реагентов. Накопление продуктов замедляет реакцию, а в обратимой реакции может привести к возвращению к исходным веществам.
3. Катализаторы. Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции. Он не изменяет соотношения между реагентом и продуктом, а сокращает время их изменения. В живых системах почти во всех реакциях катализаторами служат белки энзимы (ферменты).

Многие реакции в природе обратимы. Это значит, что продукты могут снова стать реагентами, а реагенты – продуктами. Соответственно, мы можем записать предыдущую формулу в обратном порядке:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂→ 6H₂O + 6CO₂                     

Эта упрощённый вариант окисления глюкозы, протекающего во время клеточного дыхания, когда глюкоза расщепляется на воду и углекислый газ в присутствии кислорода. Почти все живые организмы осуществляют разные формы окисления глюкозы.

Организмы – накопители химических элементов

Организмы, способные накапливать в своём теле один или несколько химических элементов называют концентраторами. Если элемент составляет 10% от веса их тела или от атомной массы, тогда они относятся к данной группе.

Организмы-концентраторы	Химические элементы, которые они накапливают
Подсолнечник, картофель	Калий (К)
Бобовые, фораминиферы, моллюски, кораллы	Кальций (Са)
Злаки, хвощи, радиолярии, губки, диатомовые водоросли	Кремний (Si)
Плауны, чай	Алюминий (Al)
Растения засолённых почв (галофиты)	Натрий (Na) хлор (Cl)
Мхи, железобактерии	Железо (Fe)
Водоросли	Йод (I)
Пауки, раки	Медь (Сu)
Серобактерии	Сера (S)
Морепродукты	кальций (Ca) калий (K) натрий (Na) магний (Mg) медь (Сu)
Наземные растения	Марганец (Mn)
Наземные животные	Фосфор (P) азот (N)

 

Вам будет интересно

Происхождение нефти, ее состав и основные свойства

Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает

Две гипотезы

У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.

Необходимые условия для превращения органики в нефть возникают на глубине 1,5–6 км в так называемом нефтяном окне — при температуре от 70 до 190°C. В верхней его части температура недостаточно высока — и нефть получается «тяжелой»: вязкой, густой, с высоким содержанием смол и асфальтенов. Внизу же температура пластов поднимается настолько, что молекулы органического вещества дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Затем под воздействием различных сил, в том числе градиента характеризует степень изменения давления в пространстве, в данном случае — в зависимости от глубины пласта давления, углеводороды мигрируют из нефтематеринского пласта в выше- или нижележащие породы.

60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков

Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.

Состав и свойства нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — 83–87%, водород — 12–14% и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др. ).

От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью 0,82–0,92 г/см³.Температура кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.

Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

С точки зрения современных сторонников неорганической, или минеральной, гипотезы, углеводороды образуются из содержащихся в мантии Земли воды и углекислого газа в присутствии закисных соединений металлов на глубинах 100–200 км. Высокое давление в недрах земли препятствует термической деструкции сложных молекул углеводородов. В свою очередь сторонники органики не отрицают, что простые углеводороды, например метан, могут иметь и неорганическое происхождение. Опыты, направленные на подтверждение абиогенной теории, показали, что получаемые углеводороды могут содержать не более пяти атомов углерода, а нефть представляет собой смесь более тяжелых соединений. Этому противоречию объяснений пока нет.

Этапы образования нефти

СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ

• осадконакопление (седиментогенез) — в процессе накопления осадка остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов или захороняются в континентальной обстановке;
• биохимическая (диагенез) — происходит уплотнение, обезвоживание осадка и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;
• протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5–2 км при медленном подъеме температуры и давления;
• мезокатагенез, или главная фаза нефтеобразования (ГФ Н), — опускание пласта органических остатков на глубину до 3–4 км при подъеме температуры до 150°C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит «отжим» нефти за счет перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в пласты-коллекторы, а по ним — в ловушки;
• апокатагенез керогена, или главная фаза газообразования (ГФГ ), — опускание пласта органических остатков на глубину (как правило, более 4,5 км) при подъеме температуры до 180—250°C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и генерирует газ.

В ловушке

Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.

В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.

Под действием различных факторов углеводороды отжимаются из нефтематеринских пород в породы-коллекторы, способные вмещать флюиды (нефть, природный газ, воду). Таким образом, нефтяное месторождение — вовсе не подземное «озеро», заполненное жидкостью, а достаточно плотная структура. Коллекторы характеризуются пористостью (долей содержащихся в них пустот) и проницаемостью (способностью пропускать через себя флюид). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров.

Типы коллекторов

БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ

Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.

Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.

Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.

Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.

Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.

Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.

Антиклиналь

Тектоническая экранированная ловушка

Соляной купол

Стратиграфическая ловушка

Ровесница динозавров

Когда же образовались те структуры, в которых сегодня находят нефть? Основные ее ресурсы сосредоточены в относительно молодых мезозойских и кайнозойских отложениях, сформировавшихся от нескольких десятков млн до 250 млн лет назад. Однако добыча нефти ведется и из палеозойских отложений (до 500 млн лет назад), а в Восточной Сибири — даже из отложений верхнего протерозоя, которым более полумиллиарда лет.

Многочисленные нефтяные месторождения встречаются в отложениях девона (420–360 млн лет назад). В этот период на Земле появились насекомые и земноводные, в морях большого разнообразия достигли рыбы и кораллы. Во время пермского периода (300–250 млн лет назад) климат стал более засушливым, в результате чего высыхали моря и образовывались мощные соляные толщи, ставшие впоследствии идеальными флюидоупорами.

Эпоха господства динозавров — юрский (200–145 млн лет назад) и меловой (145–66 млн лет назад) периоды мезозоя — характеризуется максимальным расцветом жизни и связана с высоким осадконакоплением. Некоторые гигантские и крупные месторождения (Иран, Ирак) нефти находят в отложениях палеогена(66—23 млн лет назад). Известны месторождения нефти в четвертичных породах возрастом менее 2 млн лет (Азербайджан).

Впрочем, связь между возрастом пород-коллекторов и временем образования нефти не прямолинейна. Этот процесс может быть последовательным: в юрском или меловом периоде органический осадок начал опускаться вниз и преобразовываться в нефть, которая по прошествии нескольких десятков миллионов лет мигрировала в коллекторы, принадлежащие к более молодым комплексам пород. С другой стороны, древние нефтематеринские породы, образованные в палеозое, могли опуститься на достаточную для созревания нефти глубину намного позднее. Таким образом, в одних и тех же коллекторах можно найти и более молодую, и древнюю нефть, значительно различающиеся по своим свойствам.

Смешанные свойства

Между тем моментом, когда на дно морского бассейна опускается отмерший планктон, и тем, когда накопившийся слой органики, погрузившись на несколько километров вниз, отдает нефть, миллионы лет и целый ряд химических и физических преобразований. Поэтому нет ничего удивительного в том, что состав нефти крайне разнообразен и неоднороден. Именно поэтому сами нефтяники привыкли употреблять это слово во множественном числе — говоря о разведке или добыче нефтей и подразумевая, что каждый раз извлекаемая жидкость будет уникальной, отличающейся от всего, что было добыто ранее.

В своей основе нефть — сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы. Преобладают в ней алканы, нафтены и арены. Наиболее простые из них — алканы (парафиновые углеводороды), у которых к атомам углерода присоединено максимальное количество атомов водорода. К алканам относятся метан, этан, пропан, бутан, пентан и т. д. Они могут быть представлены газами, жидкостями и твердыми кристаллическими веществами. Количество алканов в нефти колеблется от четверти до семидесяти процентов объема. При большом проценте алканов нефть считается парафинистой. С точки зрения добычи такое свойство считается проблемным — при подъеме нефти из скважины и соответственном уменьшении температуры парафины могут кристаллизоваться и выпадать на стенки скважин.

Нафтены — соединения, в которых атомы углерода соединяются в циклическое кольцо (циклопропан, циклобутан, циклопентан и др.). Все связи углерода и водорода здесь насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами. Нафтены могут иметь от 2 до 5 циклов в молекуле, по их составу химики пытаются определять зрелость и другие свойства нефти.

В составе аренов, или ароматических углеводородов, также есть циклические структуры — бензольные ядра. Для них характерны большая растворяемость, более высокая плотность и температура кипения. Обычно нефть содержит 10–20% аренов, а в ароматических нефтях их содержание доходит до 35%. Наиболее богаты аренами молодые нефти. Арены — ценное сырье при производстве синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, анилино-красочных и взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов.

Нефть любят называть черным золотом, однако чистые углеводороды бесцветны. Цвет нефтям придают разнообразные примеси, в основном смолы. Асфальтосмолистая часть нефтей — вещество темного цвета. Входящие в ее состав асфальтены растворяются в бензине.

Нефтяные смолы, напротив, не растворяются. Они представляют собой вязкую или твердую, но легкоплавкую массу. Наибольшее количество смол отмечается в тяжелых темных нефтях, богатых ароматическими углеводородами. Такие нефти обладают повышенной вязкостью, что затрудняет их извлечение из пласта.

Соединения с водородом, азотом, углеродом и серой

    Соединения кремния (IV). Кремний находится в степени окисления +4 в соединениях с галогенами, кислородом и серой, азотом, углеродом, водородом. Рассмотрим некоторые его бинарные соеди- [c.412]

    Современная химия достигла такого уровня развития, что существует целый ряд ее специальных разделов, являющихся самостоятельными науками. В зависимости от атомарной природы изучаемого вещества, типов химических связей между атомами различают неорганическую, органическую и элементоорганическую химии. Объектом неорганической химии являются все химические элементы и их соединения, другие вещества на их основе. Органическая химия изучает свойства обширного класса соединений, образованных посредством химических связей углерода с углеродом и другими органогенными элементами водородом, азотом, кислородом, серой, хлором, бромом и йодом. Элементоорганическая химия находится на стыке неорганической и органической химии. Эта третья химия относится к соединениям, включающим химические связи углерода с остальными элементами периодической системы, не являющимися органогенами. Молекулярная структура, степень агрегации (объединения) атомов в составе молекул и крупных молекул — макромолекул привносят свои характерные особенности в химическую форму движения материи. Поэтому существуют химия высокомолекулярных соединений, кристаллохимия, геохимия, биохимия и другие науки. Они изучают крупные объединения атомов и гигантские полимерные образования различной природы. Везде центральным вопросом для химии является вопрос о химических свойствах. Предметом изучения являются также физические, физико-химические и биохимические свойства веществ. Поэтому не только интенсивно разрабатываются собственные методы, но и привлекаются к изучению веществ другие науки. Так важными составными частями химии являются физическая химия и химическая физика, исследующие химические объекты, процессы и сопровождающие их явления с помощью расчетного аппарата физики и физических экспериментальных методов. Сегодня эти науки объединяют целый ряд других квантовая химия, химическая термодинамика (термохимия), химическая кинетика, электрохимия, фотохимия, химия высоких энергий, компьютерная химия и др. Только перечень фундаментальных наук химического направления уже говорит об исключительном разнообразии проявления химической формы движения материи и влиянии ее на пашу повседневную [c.14]

    Под теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества до высших окислов при данных условиях (Р, Т). Сгорание называется полным, когда углерод, водород, азот, сера, хлор и бром, входящие в соединение, превращаются соответственно в диоксид углерода, жидкую воду, молекулярный азот, диоксид серы и галогеноводородную кислоту. Теплоту сгорания веществ определяют сжи- [c.209]

    По мере повышения температуры в результате взаимодействия между составными частями пластической массы, выделения парогазовых продуктов термодеструкции происходит вспучивание загрузки, увеличение ее объема, которое. заканчивается отверждением пластической массы с образованием твердого полукокса. Одновременно происходит бурное выделение газов, паров воды и смолы, подвергающихся вторичным процессам пиролиза у стен камеры коксования и в подсводовом пространстве. Так как температура в этих частях печи велика ( 1100 — 1200°С), образуются наиболее термически стабильные соединения — водород, метан, ароматические углеводороды и их производные. Содержащиеся в исходной шихте кислород, азот и сера в конечном итоге оказываются в составе также наиболее термически стабильных соединений сероводорода, цианистого водорода, дисульфида углерода, серо-и азотсодержащих гетероциклических соединений (тиофен, пиридин и их гомологи). [c.56]

    Кальций, легкий щелочноземельный серебристо-белый металл. Плотность кальция при 20°С—1,55-10 кг/м , температура плавления 842°С, температура кипения 1495°С. Это довольно химически активный металл. Он способен воспламеняться в сухом воздухе при 300 °С, в присутствии влаги активно взаимодействует с кислородом воздуха, с хлором и бромом. Кальций энергично вступает в реакции с большинством кислот за исключением концентрированных серной и азотной а при нагревании-— с фтором, серой, водородом, азотом, углеродом, фосфором, сульфидами, оксидами, галогенами. С рядом металлов образует интерметаллические соединения. [c.240]

    Вероятно, в дальнейшем радиоактивные нуклиды в качестве меченых атомов будут наиболее широко применяться в биологии и медицине. В человеческом организме содержится такое большое количество соединений, включающих многие элементы — углерод, водород, азот, кислород, серу и др., что состояние, в котором находится органическое вещество, определить крайне трудно. Однако если в состав того или иного органического соединения ввести радиоактивный нуклид, то за перемещением его в организме можно наблюдать путем измерения радиоактивности. Для этой цели особенно пригоден радиоактивный нуклид углерод-14, имеющий период полураспада около 5000 лет. Он подвергается медленному распаду с испусканием бета-лучей, и количество данного изотопа в образце можно определить, измеряя бета-активность. Большие количества С можно легко получить в ядерном реакторе при действии на азот медленных нейтронов uN-fJn- 1 с + 1Н [c.616]

    В состав большинства органических соединений входит всего лишь несколько основных элементов углерод, водород, азот, кислород, сера и значительно реже другие элементы Таким образом, все многообразие органических соединений определяется, с одной стороны, их качественным и количественным составом, а с другой — порядком и характером связей между атомами [c.29]

    Определение элементного состава нефтей проводится общепринятыми методами анализа органических соединений, в частности углерод и водород — сожжением, по Либиху, или в калориметрической бомбе, азот, — по Дюма, сера, — по Кариусу, а кислород, — по разности, причем на процент его содержания ложатся все ошибки опыта. [c.76]

    Бор образует большое число высокомолекулярных соединений со многими элементами водородом, азотом, углеродом, кремнием, фосфором, кислородом, серой и др. [c.337]

    При работе с органическими соединениями обычно можно исключить атомы титана и цинка и ограничиться рассмотрением углерода, водорода, азота, кислорода, серы, галогенов и некоторых других элементов. Многоатомные, более чем двузарядные ионы встречаются сравнительно редко, что также ограничивает число вероятных эмпирических формул. [c.298]

    При анализе соединений, содержащих углерод, водород, азот и серу, в ячейке детектируется лишь двуокись азота. Двуокись углерода маскируется газом-носителем, вода абсорбируется в сушильной трубке, а окислы серы — в системе. Пик двуокиси азота является отрицательным при использовании двуокиси углерода в качестве газа-носителя по сравнению с пиком органического соединения при использовании в качестве газа-носителя водорода или гелия. [c.219]

    Вероятно, наиболее широкое применение в качестве меченых атомов изотопы будут и впредь находить в области биологии и медицины. В человеческом организме содержатся такие большие количества элементов — углерода, водорода, азота, кислорода, серы и др., что очень трудно определить состояние органического вещества в нем. Но если в состав органического соединения ввести радиоактивный изотоп, то за перемещением такого соединения в организме уже можно наблюдать путем измерения радиоактивности. Для этой цели особенно пригоден радиоактивный изотоп углерод-14, имеющий период полураспада около 5000 лет. Он подвергается медленному распаду с испусканием бета-лучей, и количество данного изотопа в образце можно определить, измеряя бета-активность. Большие количества этого изотопа легко можно приготовить в ядерном реакторе при действии на азот медленных нейтронов [c.736]

    Итак, в состав органических соединений обязательно входит углерод. Кроме того, для их получения нужны водород, азот, кислород, сера, галогены, а в исключительных случаях и некоторые другие элементы. Из ста с лишним известных науке элементов для образования множества органических соединений необходимы лишь 10. [c.12]

    Качественный элементарный анализ и определение чисел омыления и ацетильных чисел позволяют распределить полимеры по различным группам, как показано в табл. 15. В первую группу входят силиконовые полимеры, а также фосфор- и галогенсодержащие вещества. Следующие группы включают соединения, содержащие азот или серу или оба элемента вместе. Затем идут полимеры, содержащие углерод, водород и кислород, с числами омыления выше 325, 120—325 и ниже 120. Наконец, вещества с числом омыления ниже 120 подразделяются по их ацетильному числу (выше или ниже 40). [c.86]

    Круг рассматриваемых в справочнике веществ ограничен газами и составляющими их частицами, как правило, сравнительно несложного состава. К их числу относятся инертные газы, водород, азот, кислород и другие атомы и двухатомные молеку ы, атмосферные газы и загрязняющие атмосферу примеси (окислы азота, углерода, серы), соединения азота, углерода, водорода и серы, галогены и галогеново-дороды, простейшие углеводороды и некоторые органические соединения, атомы и окислы металлов, продукты сгорания, пиролиза и газификации углеводородных и других топлив, продукты термической, электронной и лазерной деструкции различных материалов. Как правило, учитываются лишь однократно заряженные ионы. [c.10]

    Соединения расположены по брутто-формулам в порядке возрастания числа атомов углерода, водорода, брома, хлора, фтора, азота, кислорода, серы. При одинаковых брутто-формулах вначале помещены соединения нормального, а затем изо- и циклического строения. [c.456]

    В начале XIX в. появились более совершенные методы элементного анализа веш еств и начались исследования элементного состава белков. В последних обнаружили углерод, водород, азот, кислород, серу и фосфор. Голландский химик и врач Г. Я. Мульдер (1802-1880) предложил первую теорию строения белков. Исходя из исследований элементного состава, Мульдер пришел к выводу, что все белки содержат одну или несколько групп (радикалов) соединенных с серой [c.16]

    Какие же вещества являются элементами Первыми правильно установленными элементами были металлы-золото, серебро, медь, олово, железо, платина, свинец, цинк, ртуть, никель, вольфрам, кобальт, И вообще из 105 известных к настоящему времени элементов только 22 не обладают металлическими свойствами. Пять неметаллов (гелий, неон, аргон, криптон и ксенон) были обнаружены в смеси газов, остающейся после удаления из воздуха всего имеющегося в нем азота и кислорода. Химики считали эти благородные газы инертными до 1962 г., когда было показано, что ксенон дает соединения со фтором, наиболее активным в химическом отнощении неметаллом. Другие химически активные неметаллы представляют собой либо газы (например, водород, азот, кислород и хлор), либо хрупкие кристаллические вещества (например, углерод, сера, фосфор, мыщьяк и иод). При обычных условиях лишь один неметаллический элемент-бром-находится в жидком состоянии, [c.271]

    Смолисто-асфальтеновые вещества, содержащиеся в нефтях, относятся в основном к лассу гетероциклических соединений, в которых кроме углерода и водорода содержатся кислород, сера и во многих случаях — азот. Содержание смолисто-асфальтеновых веществ в легких нефтях обычно не превышает 4—5%, а в тяжелых 20%. Однако в тяжелых высокосмолистых нефтях смолисто-асфальтеновых веществ может содержаться 60% и более (ильская и хаудагская нефти). По принятой классификации смолисто-асфальтеновые вещества делят на следующие компоненты  [c.27]

    При оценке содержания гетероатомных соединений надо учитывать, что в сернистых, кислородных и азотистых соединениях сера, кислород и азот связаны с различными углеводородными радикалами и на 1 ч. (масс.) этих элементов приходится 10—20 ч. (масс.) углерода и водорода. Например, если средняя молекулярная масса фракции 160, содержание серы равно 1%, а в молекуле сернистого соединения только один атом серы, то в такой фракции содержание сернистых соединений равно 5%. [c.21]

    Реакция гидрирования идет с разрывом связей углерод — кислород и образованием углеводородов и воды. Гидрирование кислородсодержащих соединений не требует жестких условий как правило, кислород удаляется легче, чем азот. С увеличением молекулярной массы кислородсодержащих соединений их гидрирование облегчается, поэтому очистка масляных фракций от этих соединений не вызывает затруднений. Основное количество высокомолекулярных веществ в сырье для цроизводства масел составляют смолы. Большая молекулярная масса и значительное содержание кислорода, азота и серы обусловливают относительно легкое разложение смол в условиях гидрогенизационных процессов. При этом образуются углеводороды различных групп и соединения гетероатомов с водородом — вода, аммиак и сероводород. [c.296]

    Нефть — это не что иное, как смесь тысяч различных химических соединений, основная масса которых представлена углеводорода.мп — молекула.ми, содержащими атомы углерода и водорода. Кро.ме того, имеется немалое количество соединений, содержащих, помимо углерода и водорода, серу, кислород и азот. Среди этих соединений имеется немало высокомолекулярных (поли- [c.6]

    Как показывают результаты анализа, деэмульгаторы состоят из углерода, водорода и значительного количества (30—32%) кислорода. Азот и сера в них практически отсутствуют. Таким образом, характеристика диссольванов как полиалкиленгликолей подтверждается данными элементарного анализа. Диссольваны можно отнести к соединениям типа блоксополимеров окисей пропилена и этилена. [c.165]

    Углерод. Углерод как основной элемент, входящий в органическую массу углей, во многом определяет их технические качества. При горении он соединяется с кислородом воздуха, в результате чего выделяется значительное количество тепла (каждый килограмм чистого аморфного углерода выделяет 34 100 кДж). В действительности углерод в твердом топливе находится не в свободном состоянии, а в форме различных сложных соединений с водородом, кислородом, азотом и серой. Поэтому при сжигании 1 кг угля каждый килограмм углерода не д .ет точно 34100 кДж, но эта разница является незначительной. [c.121]

    Высокомолекулярная часть нефти представляет собой сложную многокомпонентную, в большинстве случаев коллоидную систему, стойкость которой зависит от химической природы и количественных соотношений основных ее составляющих (углеводороды, смолы и асфальтены). Химический состав и строение соединений, входящих в эту систему, необычайно разнообразны. Различие химического строения молекул довольно сильно проявляется даже в углеводородах и становится почти безграничным при переходе от углеводородов к весьма разнообразным гетероорганическим соединениям, в состав которых наряду с углеродом и водородом входят кислород, сера, азот, а нередко и металлы (N1, V, Ге, Мд, Сг, Т1, Со и др.). [c.12]

    Асфальто-смолистые вещества относятся в основном к классу нейтральных полициклических соединений, содержащих, кроме углерода и водорода, кислород, серу и во многих случаях азот. [c.56]

    Смолисто-асфальтеновые вещества содержатся в основном в высококипящих нефтяных фракциях и гудронах. Они относятся к классу полициклических соединений, содержащих помимо углерода и водорода кислород, серу, азот, а иногда и различные металлы. Смолисто-асфальтеновые вещества являются нежелательными компонентами масел и удаляются в процессе деасфальтизации (малые их количества могут быть удалены при селективной и адсорбционной очистках). При недостаточно полном удалении смолисто-асфальтеновых веществ снижается эффективность очистки избирательными растворителями, увеличивается необходимая кратность [c.39]

    Известны также многочисленные некислородные соединения кремния с различными химическими элементами галоидами, водородом, азотом, углеродом, серой, металлами, в ряде случаев играющие существенную роль в современной технике. [c.207]

    Самое широкое использование в качестве меченых атомов изотопы нашли в биологии и в медицине. Человеческий организм содержит такие большие количества элементов — углерода, водорода, азота, кислорода, серы и т. д., что очень трудно проводить анализ на содержание в нем небольшого количества того или иного органического вещества. Одпако органршеское соединение, в состав которого введен радиоактивный изотоп, можпо проследить в организме измерением радиоактивности. Для этой цели особенно пригоден радиоактивный изотоп С . Этот изотоп имеет период полураспада около. 5568 лет. Оп подвергается медленпому распаду с испусканием Р-лучей, и количество данного изотопа в образце можно определить измерением Р-активпостп. Большие количества этого изотопа легко можно приготовить в урановом реакторе при действии па азот медленных нейтронов  [c.548]

    Воспроизведение палочковидных бактерий, таких, как Е. oli, происходит следующим образом. Их длина увеличивается, а диаметр не меняется. Когда длина бактерии удваивается, палочка сужается в середине и затем распадается на две идентичные дочерние клетки. Так происходит деление бактериальной клетки. Две образовавшиеся дочерние клетки продолжают удлиняться и, когда длина каждой из них удвоится, обе клетки делятся, образуя теперь уже четыре внучатые клетки (фиг. 23). Бактерии, как и все другие живые клетки, состоят в основном из углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора. Поэтому при размножении они должны усваивать эти элементы из окружающей среды. Однако бактерии значительно различаются по характеру тех химических соединений, которые они могут использовать в качестве источника материала для построения пары дочерних клеток. Обычно такие различия в пищевых потребностях бактерий отражают их адаптацию к месту естественного обитания. Бактерии, живущие автономно на уступах скал или в необитаемых пустынях, должны быть способны усваивать самые простые субстраты. Бактерии же, которые живут в тесном контакте с живыми тканями и паразитически питаются ксмпонентами своих хозяев, мог>т позволить себе быть более привередливыми. [c.50]

    Применительно к процессам каталитического гидрооблагораживання остатков знание общих закономерностей превращения отдельных гетероатомных соединений может быть полезно только в части того, что, например, сера из любого серусодержащего соединения удаляется в виде сероводорода, азот из азотсодержащих соединений удаляется в виде аммиака, кислород из кислородсодержащих компонентов в виде воды и пр. Скорость тех или иных реакций превращения гетероатомных соединений может быть оценена лишь косвенно на основе изучения элементного состава сырья и продуктов, а также замером количества вьщелив-шегося сероводорода, аммиака, воды, высадившихся металлов на поверхность катализатора. Интенсивность реакций гидрирования может быть оценена также косвенно по изменению содержания водорода и углерода в жидких продуктах реакции. В связи с этим, для выявления эффективности процессов каталитического гидрооблагораживання нефтяных остатков может быть применен принцип оценки брутто-реакций . Однако, ввиду многообразия остатков, выделенных из различных типов нефтей, характеризующихся различным содержанием компонентов с надмолекулярной структурой (асфальтенов, смол), знание только данных по элементному составу недостаточны. Механизм превращения нефтяных остатков тесно связан со структурными изменениями сырья при нагреве и контакте с каталитической поверхностью. [c.47]

    В тридцатых годях XX века выяснилось, что соединения переменного состава встре 1аюгся не тол1жо среди соединений металлов лруг с другом, но и среди других твердых тел, например, оксидов, сосдииеинй металлов с серой, азотом, углеродом, водородом.  [c.25]

    Отличительные особенности органических соединений. Как уже указывалось, число изученных в настоящее время соединений углерода чрезвычайно велико. Но при всем многообразии природных органических веп сств, они обычно состоят из небольшого числа элементов в их состав, кроме углерода, почти всегда входит водород, часто кислород и азот, иногда сера и фосфор. Эти элементы были названы органогенами (т. е. элементами, порождающими органические молекулы) .  [c.451]

    Химические анализы кокса показали, что в его органической части массовое содержание углерода 80—86%, водорода 3—5%, серы 4—7%, азота — 1%, кислорода 4—8%. Отложения обычно представляют собой смесь органических и неорганических веществ, причем на отдельных участках органическое вещество в отложениях достигает практически 100%. Можно считать установленным, что причина образования коксовых отложений — реакции жидкофазного автоокисления реакцнонноспособных компонентов сырья растворенным кислородом. При переработке прямогопных бензиновых фракций такими компонентами являются сераорганические соединения и ароматические углеводороды, при переработке бензинов вторичного происхождения — непредельные углеводороды с сопряженными двойными связями. [c.108]

    Если исходным материалом, из которого образовались угли, был только лигнин или только целлюлоза как пытаются доказать сторонники лигнинной и целлюлозной гипотез, то органическая масса ископаемых топлив, очевидно, состояла бы подобно исходным соединениям только из углерода, водорода и кислорода. В действительности все виды углей кроме этих элементов содержат еще азот, серу и фосфор, происхождение которых нельзя рассматривать как результат случайных примесей. [c.36]

---

Газ водород, физические свойства водорода, химические свойства водорода.

Продажа Производство Доставка

Газообразный

Жидкий

 

Водород (лат. Hydrogenium; обозначается символом H) — первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода ¹H — протон. Свойства ядра ¹H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: ¹H — протий (Н), ²H — дейтерий (D) и ³H — тритий (радиоактивен) (T).

Простое вещество водород — H₂ — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и рядеметаллов: железе, никеле, палладии, платине.

История

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.

Происхождение названия

Лавуазье дал водороду название hydrogène — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии сломоносовским «кислородом».

Распространённость

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.

Получение

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):

СН₄ + 2Н₂O = CO₂↑ + 4Н₂ −165 кДж

В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H₂↑ + 2NaOH + Cl₂

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000 °C:

H₂O + C ? H₂ + CO

3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром:

CH₄ + H₂O ? CO + 3H₂ (1000 °C)

Каталитическое окисление кислородом:

2CH₄ + O₂ ? 2CO + 4H₂

4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

2.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

3.Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O → NaOH + H₂↑

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Zn + 2KOH + 2H₂O → K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O⁺ + 2e⁻ → H₂↑ + 2H₂O

Физические свойства

Водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара- водорода. В молекуле ортоводорода o-H₂ (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H₂ (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H₂ и p-H₂ при заданной температуре называется равновесный водород e-H₂.

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций. 

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха. 

Молекула водорода двухатомна — Н₂. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9×10⁶ Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

 

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н₂, 0,21 % орто-Н₂.

Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии,пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Изотопы

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: ¹H — протий (Н), ²Н — дейтерий (D), ³Н — тритий (радиоактивный) (T).

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Изотоп водорода ³Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.

В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4 — 7 и периодами полураспада 10⁻²² — 10⁻²³ с.

Природный водород состоит из молекул H₂ и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D₂ ещё меньше. Отношение концентраций HD и D₂, примерно, 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

 

	Температура плавления, K	Температура кипения, K	Тройная точка, K / kPa	Критическая точка, K / kPa	Плотность жидкий / газ, кг/м³
H2	13.96	20,39	13,96 / 7,3	32,98 / 1,31	70,811 / 1,316
D	16,65	22,13	16,60 / 12,8	35,91 / 1,48	114,80 / 1,802
HT		22,92	17,63 / 17,7	37,13 / 1,57	158,62 / 2,310
D2	18,65	23,67	18,73 / 17,1	38,35 / 1,67	162,50 / 2,230
DT		24.38	19,71 / 19,4	39,42 / 1,77	211,54 / 2,694
T2	20,63	25,04	20,62 / 21,6	40,44 / 1,85	260,17 / 3,136

 

Дейтерий и тритий также имеют орто- и пара- модификации: p-D₂, o-D₂, p-T₂, o-T₂. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и пара- модификаций.

Химические свойства

Доля диссоциировавших молекул водорода

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н₂ = 2Н − 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F₂ + H₂ = 2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

О₂ + 2Н₂ = 2Н₂О

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂O

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

Cl₂ + H₂ → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ → CH₄

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

2Na + H₂ → 2NaH

Ca + H₂ → CaH₂

Mg + H₂ → MgH₂

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр.Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

 

Геохимия водорода

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.

Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением . Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

Особенности обращения

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водородпожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.

Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75(74) % объёмных.

Экономика

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2-5$ за кг.

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность

• При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
• При производстве маргарина из жидких растительных масел
• Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)

Пищевая промышленность

Авиационная промышленность

Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколькокатастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Топливо

Водород используют в качестве ракетного топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

 

«Жидкий водород» («ЖВ») — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой удельной плотностью 0.07 г/см³ и криогенными свойствами с точкой замерзания 14.01 K (−259.14 °C) и точкой кипения 20.28 K (−252.87 °C). Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4-75 %. Спиновое соотношение изомеров в жидком водороде составляет: 99,79 % —параводород; 0,21 % — ортоводород. Коэффициент расширения водорода при смене агрегатного состояния на газообразное составляет 848:1 при 20°C.

Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объема. После сжижения «ЖВ» хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород (англ. Liquid hydrogen, Lh3, LH₂) активно используется в промышленности, в качестве формы хранения газа, и в космическойотрасли, в качестве ракетного топлива.

История

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским ученым Вильямом Калленом, Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году, Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак, американский изобретатель Оливер Эванс первым разработал холодильный компрессор в 1805 году, Яков Перкинс первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и Джон Гори первым в США запатентовалкондиционер в 1851 году. Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году, Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона» и регенеративного охлаждения ^[6] в 1876 году. В 1885 году польскийфизик и химик Зигмунд Вро?блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K, критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K. Впервыеводород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, cосуда Дьюара. Первый синтез стабильного изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода

Водород при комнатной температуре состоит в основном из спинового изомера, ортоводорода. После производства, жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать взрывоопасной экзотермической реакции, которая имеет место при его изменении при низких температурах. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов, как оксид железа, оксид хрома, активированный уголь, покрытых платиной асбестов, редкоземельных металлов или путем использования урановых или никелевых добавок.

Использование

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные подлодки(проекты «212А» и «214», Германия) и концепты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например «DeepC»или «BMW h3R»). Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только модифицировать системы, использующие сжиженный природный газ («СПГ»). Однако из-за более низкой объемной плотности энергии для горения требуется больший объем водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо «СПГ» в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.

 

Преимущества

Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с воздухом является вода.

Препятствия

Один литр «ЖВ» весит всего 0.07 кг. То есть его удельная плотность составляет 70.99 г/л при 20 K. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные термически изолированные контейнеры и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с контейнерами с тепловой изоляцией, его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день). При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно.

Ракетное топливо

Жидкий водород является распространенным компонентом ракетных топлив, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателях на водороде, он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя, перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги. Используемые современные двигатели на компонентах H₂/O₂ потребляют переобогащенную водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульсадвигателя за счет уменьшения молекулярного веса, это еще сокращает эрозию сопла и камеры сгорания.

Такие препятствия использования «ЖВ» в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель (РН «Дельта-4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном «ЖВ» используется либо на верхних ступенях ракет, либо на блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамерзшей формы «ЖВ».

 

углерода | Факты, использование и свойства

Свойства и использование

По весу углерод занимает 19-е место по содержанию элементов в земной коре, и, по оценкам, во Вселенной в 3,5 раза больше атомов углерода, чем атомов кремния. Только водород, гелий, кислород, неон и азот атомно более распространены в космосе, чем углерода. Углерод — это космический продукт «горения» гелия, в котором три ядра гелия с атомным весом 4 сливаются, образуя ядро ​​углерода с атомным весом 12.

В земной коре элементарный углерод является второстепенным компонентом. Однако соединения углерода (т.е. карбонаты магния и кальция) образуют обычные минералы (например, магнезит, доломит, мрамор или известняк). Кораллы и раковины устриц и моллюсков состоят в основном из карбоната кальция. Углерод широко распространен в виде угля и органических соединений, которые составляют нефть, природный газ и все ткани растений и животных. Естественная последовательность химических реакций, называемых углеродным циклом, включающая преобразование атмосферного углекислого газа в углеводы путем фотосинтеза в растениях, потребление этих углеводов животными и их окисление в процессе метаболизма с образованием углекислого газа и других продуктов, а также возврат углерода. диоксид в атмосферу — один из важнейших биологических процессов.

Углерод как элемент был обнаружен первым человеком, обработавшим древесный уголь из огня. Таким образом, вместе с серой, железом, оловом, свинцом, медью, ртутью, серебром и золотом углерод был одним из небольшой группы элементов, хорошо известных в древнем мире. Современная химия углерода берет свое начало с разработки углей, нефти и природного газа в качестве топлива и с объяснения синтетической органической химии, которые в значительной степени развивались с 1800-х годов.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Элементарный углерод существует в нескольких формах, каждая из которых имеет свои физические характеристики. Две из его четко определенных форм, алмаз и графит, имеют кристаллическую структуру, но они различаются по физическим свойствам, потому что расположение атомов в их структурах отличается. Третья форма, называемая фуллереном, состоит из множества молекул, полностью состоящих из углерода. Сфероидальные фуллерены с закрытой клеткой называются бакерминстерфуллеренами или «бакиболами», а цилиндрические фуллерены — нанотрубками.Четвертая форма, называемая Q-углеродом, является кристаллической и магнитной. Еще одна форма, называемая аморфным углеродом, не имеет кристаллической структуры. Другие формы, такие как технический углерод, древесный уголь, сажа, уголь и кокс, иногда называют аморфными, но рентгеновское исследование показало, что эти вещества действительно обладают низкой степенью кристалличности. Алмаз и графит встречаются на Земле в естественных условиях, и их также можно производить синтетическим путем; они химически инертны, но соединяются с кислородом при высоких температурах, как и аморфный углерод.Фуллерен был случайно обнаружен в 1985 году как синтетический продукт в ходе лабораторных экспериментов по моделированию химического состава атмосферы гигантских звезд. Позже было обнаружено, что он встречается в природе в крошечных количествах на Земле и в метеоритах. Q-углерод также является синтетическим, но ученые предполагают, что он может образовываться в горячей среде некоторых ядер планет.

фуллерен

Две структуры фуллерена: удлиненная углеродная нанотрубка и сферический бакминстерфуллерен, или «бакиболл.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Слово углерод , вероятно, происходит от латинского carb , что означает «уголь», «древесный уголь», «тлеющий уголь». Термин алмаз , искаженное греческое слово adamas , «непобедимый», точно описывает постоянство этой кристаллизованной формы углерода, точно так же, как графит , название другой кристаллической формы углерода, полученной из греческий глагол graphein , «писать», отражает его свойство оставлять темный след при трении о поверхность.До открытия в 1779 году того, что графит при горении на воздухе образует двуокись углерода, графит путали как с металлическим свинцом, так и с похожим на поверхность веществом, минералом молибденитом.

Чистый алмаз — это самое твердое из известных природных веществ, которое плохо проводит электричество. С другой стороны, графит — это мягкое скользкое твердое вещество, которое хорошо проводит как тепло, так и электричество. Углерод как алмаз является самым дорогим и блестящим из всех природных драгоценных камней и самым твердым из абразивов природного происхождения.Графит используется как смазка. В микрокристаллической и почти аморфной форме он используется как черный пигмент, как адсорбент, как топливо, как наполнитель для резины и, смешанный с глиной, как «грифель» карандашей. Поскольку он проводит электричество, но не плавится, графит также используется для изготовления электродов в электрических печах и сухих элементах, а также для изготовления тиглей, в которых плавятся металлы. Молекулы фуллерена являются многообещающими для множества применений, включая материалы с высокой прочностью на разрыв, уникальные электронные устройства и устройства хранения энергии, а также безопасную герметизацию горючих газов, таких как водород.Q-углерод, который создается путем быстрого охлаждения образца элементарного углерода, температура которого повышена до 4000 K (3727 ° C [6740 ° F]), тверже, чем алмаз, и его можно использовать для изготовления алмазных структур (таких как в виде алмазных пленок и микроигл) внутри своей матрицы. Элементарный углерод нетоксичен.

Каждая из «аморфных» форм углерода имеет свою специфику и, следовательно, у каждой есть свои особенности применения. Все они являются продуктами окисления и других форм разложения органических соединений.Например, уголь и кокс широко используются в качестве топлива. Древесный уголь используется в качестве абсорбирующего и фильтрующего агента, а также в качестве топлива и когда-то широко использовался в качестве ингредиента в порохе. (Уголь — это элементарный углерод, смешанный с различными количествами углеродных соединений. Кокс и древесный уголь — это почти чистый углерод.) В дополнение к использованию в производстве чернил и красок сажа добавляется в резину, используемую в шинах, для улучшения ее износостойкости. Костный черный или животный уголь может адсорбировать газы и красящие вещества из многих других материалов.

Углерод, элементарный или комбинированный, обычно определяется количественно путем преобразования в газообразный диоксид углерода, который затем может абсорбироваться другими химическими веществами с получением взвешиваемого продукта или раствора с кислотными свойствами, который можно титровать.

Производство элементарного углерода

До 1955 года все алмазы добывались из природных месторождений, наиболее значительных в южной части Африки, но также встречающихся в Бразилии, Венесуэле, Гайане и Сибири. Единственный известный источник в Соединенных Штатах, в Арканзасе, не имеет коммерческого значения; Индия, когда-то являвшаяся источником прекрасных алмазов, не является важным поставщиком в настоящее время.Основным источником алмазов является мягкая голубоватая перидотическая порода, называемая кимберлитом (по названию известного месторождения в Кимберли, Южная Африка), обнаруженная в вулканических структурах, называемых трубками, но многие алмазы встречаются в аллювиальных отложениях, предположительно в результате выветривания первичных источников. Единичные находки по всему миру в регионах, где не указаны источники, не были редкостью.

Природные отложения обрабатываются дроблением, гравитационным и флотационным разделением, а также удалением алмазов путем их прилипания к слою смазки на подходящем столе.В результате получаются следующие продукты: (1) собственно алмаз — искаженные кубические кристаллические камни ювелирного качества от бесцветных до красных, розовых, голубых, зеленых или желтых; (2) борт — мелкие темные кристаллы абразивного, но не ювелирного качества; 3) баллас — хаотически ориентированные кристаллы абразивного качества; (4) маклы — треугольные кристаллы в форме подушечек, которые используются в промышленности; 5) карбонадо — смешанные алмазно-графитовые кристаллиты, содержащие другие примеси.

Успешная лабораторная переработка графита в алмаз была произведена в 1955 году.Процедура включала одновременное использование чрезвычайно высокого давления и температуры с железом в качестве растворителя или катализатора. Впоследствии железо заменили хромом, марганцем, кобальтом, никелем и танталом. Синтетические алмазы в настоящее время производятся в нескольких странах и все чаще используются вместо природных материалов в качестве промышленных абразивов.

Графит естественным образом встречается во многих областях, при этом наиболее важные месторождения находятся в Китае, Индии, Бразилии, Турции, Мексике, Канаде, России и на Мадагаскаре.Используются как открытая, так и глубокая добыча полезных ископаемых с последующей флотацией, но основная часть товарного графита производится путем нагревания нефтяного кокса в электрической печи. Лучше кристаллизованная форма, известная как пиролитический графит, получается при разложении низкомолекулярных углеводородов под действием тепла. Графитовые волокна со значительной прочностью на разрыв получают путем карбонизации натуральных и синтетических органических волокон.

Углеродные продукты получают путем нагревания угля (для получения кокса), природного газа (для получения сажи) или углеродистых материалов растительного или животного происхождения, таких как дерево или кость (для получения древесного угля), при повышенных температурах в присутствии недостаточное количество кислорода для горения.Летучие побочные продукты рекуперируются и используются отдельно.

Quia — Science Chapter 2 Словарь

A	B
element	Тип вещества, в котором все атомы одинаковы; нельзя разбить на более простые вещества.
атом	Наименьшая единица элемента.
соединение	Два или более элемента, которые химически объединены.
молекула	Наименьшая единица большинства соединений.
органическое соединение	Соединение, содержащее углерод.
неорганическое соединение	Соединение, не содержащее углерода.
белок	Крупные органические молекулы, состоящие из углерода, водорода, кислорода, азота и иногда серы; они необходимы для роста и восстановления тканей и участвуют в химических реакциях внутри клеток.
аминокислота	Небольшие единицы, которые химически связаны друг с другом с образованием больших белковых молекул.
фермент	Белок, ускоряющий химические реакции в организме живых существ.
углеводы	Богатые энергией органические соединения, такие как сахара и крахмалы, которые состоят из элементов углерода, водорода и кислорода. Они предоставляют сырье для изготовления частей клеток.
липиды	Богатые энергией органические соединения, такие как жиры, масла и воски, состоящие из углерода, водорода и кислорода.
нуклеиновая кислота	Очень большая органическая молекула, состоящая из углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора, которая содержит инструкции, необходимые клеткам для выполнения всех жизненных функций.
ДНК	Дезоксирибонуклеиновая кислота; генетический материал, который несет информацию об организме и передается от родителей к потомству.
РНК	Рибонуклеиновая кислота; нуклеиновая кислота, играющая важную роль в производстве белков.
избирательно проницаемость	Свойство клеточных мембран, которое позволяет одним веществам проходить сквозь них, а другим — нет.
диффузия	Процесс, при котором молекулы перемещаются из области, в которой они сконцентрированы, в область, в которой они менее сконцентрированы.
осмос	Диффузия молекул воды через избирательно проницаемую мембрану.
пассивный транспорт	Движение материалов через клеточную мембрану без использования энергии.
активный транспорт	Движение материалов через клеточную мембрану с использованием энергии.
фотосинтез	Процесс, с помощью которого растения и некоторые другие организмы улавливают световую энергию и используют ее для производства пищи из углекислого газа и воды.
пигмент	Цветное химическое соединение, которое поглощает свет и производит цвет.
хлорофилл	Зеленый пигмент, обнаруженный в хлоропластах растений, водорослях и некоторых бактериях.
устьица	Небольшие отверстия на нижней стороне большинства листьев, через которые может проходить кислород и углекислый газ.
дыхание	Процесс, при котором клетки расщепляют простые молекулы пищи, чтобы высвободить содержащуюся в них энергию.
ферментация	Процесс, при котором клетки расщепляют молекулы для высвобождения энергии без использования кислорода.
клеточный цикл	Регулярная последовательность роста и деления клеток.
интерфаза	Стадия клеточного цикла, которая имеет место до того, как происходит деление клетки; на этом этапе клетка растет, копирует свою ДНК и готовится к делению.
репликация	Процесс, с помощью которого клетка копирует ДНК в своем ядре.
митоз	Стадия клеточного цикла, во время которой ядро ​​клетки делится на два новых ядра и одна копия ДНК распространяется в каждую дочернюю клетку.
хромосома	Палочковидная клеточная структура из конденсированного хроматина; содержит ДНК, которая несет генетическую информацию, которая контролирует унаследованные характеристики, такие как цвет глаз и группа крови.
хроматида	Один из одинаковых стержней хромосомы.
цитокинез	Заключительный этап клеточного цикла, на котором цитоплазма клетки делится, распределяя органеллы в каждую из двух новых клеток.

Соединения с дополнительными элементами

Соединения с дополнительными элементами

Обсуждение органической химии до сих пор описывало только соединения углерода и водорода. Хотя все органические соединения содержат углерод и почти все содержат водород, большинство из них также содержат другие элементы. Наиболее распространенными другими элементами в органических соединениях являются кислород, азот, сера и галогены.

Галогены напоминают водород, потому что они должны образовывать единую ковалентную связь для достижения электронной стабильности. Следовательно, атом галогена может заменять любой атом водорода в углеводороде. На рисунке 1 показано, как атомы фтора или брома замещают водород в метане.

Рисунок 1. Метан и два производных.

Галогены могут заменять любой или все четыре атома водорода метана. Если галоген — фтор, серия заменяемых соединений составляет

.

CH ₄ CH ₃ F CH ₂ F ₂ CHF ₃ CF ₄

Такие галогенированные соединения называются органическими галогенидами или алкилгалогенидами .Замещенные атомы могут быть фтором, хлором, бромом, йодом или любой комбинацией этих элементов.

Ранее упомянутая молекула этилена является плоской ; , то есть все шесть атомов лежат в одной плоскости, потому что двойная связь жесткая. На рисунке 2 жесткая двойная связь предотвращает «скручивание» молекулы вокруг оси между атомами углерода.

Рисунок 2. Этилен.

Если в ходе реакции один или несколько атомов водорода заменяется другим атомом, например атомом брома, полученное соединение может существовать в любой из двух различных структурных конфигураций.Конфигурация с соседними бромами называется цис (от латинского производного слова «на этой стороне»), тогда как конфигурация с противоположным бромом называется транс (что означает «на другой стороне»). Две конфигурации представляют собой разные вещества с уникальными химическими и физическими свойствами. Они описаны как геометрических изомеров . См. Рисунок 3.

Рисунок 3. Геометрические изомеры.

На рис. 4 перечислены некоторые общие классы органических соединений, содержащих кислород или азот.Основная углеродсодержащая часть соединения прикрепляется к связке, идущей влево во втором столбце. В примерах используется этил-C ₂ H ₅ — звено в качестве углеродной цепи, присоединенной к функциональной группе, но огромное количество органических соединений возникает из-за того, что практически любая углеродная цепь может быть присоединена к этому сайту.

Рисунок 4. Общие функциональные группы.

Если вы сравните связь углерод-кислород, вы заметите, что атомы кислорода могут быть связаны с углеродом либо одинарными, либо двойными связями.

И спирты, и карбоновые кислоты имеют одну водородную связь с кислородом в функциональной группе. В водном растворе такие атомы водорода могут отделяться, образуя слабокислые растворы.

Амины содержат азот, связанный с одной, двумя или тремя углеродными цепями. Эти соединения являются производными аммиака, отсюда и название класса, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Аммиак.

Рассмотрим три возможных амина, образованных замещением водорода метильной группой –CH ₃ .См. Рисунок 6.

Рисунок 6. Метилпроизводные аммиака.

Конечно, более сложные углеродные группы могут быть присоединены к азоту по любой из трех связей. Обратите внимание, что атом азота действительно является основным атомом амина, в отличие от функциональных групп в спиртах, альдегидах и карбоновых кислотах, в каждой из которых функциональная группа должна находиться на конце молекулы.

• Окисление метилового спирта дает вещество, имеющее состав CH ₂ O.Изобразите структуру этой молекулы и классифицируйте ее на основе ее функциональной группы.

Что такое органические молекулы? | Органические молекулы

4.1 Что такое органические молекулы? (ESCK3)

В этом разделе изучаются простые органические молекулы, функциональные группы и физические свойства, связанные с этими функциональными группами. Следует изучать только молекулы с одним типом функциональной группы и не более чем с тремя функциональными группами. Этот раздел является основой для любой органической химии, которую они могут изучать вне школы, поэтому важно, чтобы учащиеся хорошо понимали эту главу.В этой главе также рассматриваются некоторые распространенные полимеры, учащиеся должны понимать воздействие этих полимеров на окружающую среду, а также их связь с простыми органическими молекулами через мономеры, из которых они образованы.

Этот раздел работы является первым разделом по химии 12 класса. Учащиеся должны иметь представление о межмолекулярных силах и химических связях с 11 класса. Это будет особенно важно в разделе физических свойств. На этот раздел в CAPS отведено всего 12 часов.Если возможно, здесь можно было бы уделить больше времени, чтобы обеспечить полное понимание, поскольку предстоит еще много работы.

Особое внимание следует уделять различным представлениям органических соединений: макроскопическим, субмикроскопическим, символическим представлениям и связям между всеми тремя. По возможности используйте наборы атомных моделей, чтобы помочь объяснить реакции, физические свойства и структуру молекул.

В этой главе рассматриваются следующие темы.

• Что делает молекулу органической и органической молекулярной структурой

  Эта глава начинается с краткого введения в то, что делает молекулу органической (содержащей атомы углерода).Это приводит к свойствам углерода, которые делают его таким уникальным. Учащиеся знакомятся с представлениями структурных, полуструктурных, конденсированных и молекулярных формул для молекул. Важно, чтобы у них было полное понимание этого, прежде чем двигаться дальше, поскольку они будут использовать эти представления на протяжении всей главы. Также важно, чтобы учащиеся понимали, что молекулы не являются двумерными, по возможности проведите некоторые демонстрации с помощью наборов атомных моделей, чтобы они могли лучше почувствовать форму органической молекулы.Полуструктурные представления не требуются CAPS, но они будут показаны во многих учебниках, поэтому студенту было бы полезно их понять.

• Функциональные группы

  Понимание функциональных групп необходимо для понимания органических молекул. Введение в каждую из необходимых основных функциональных групп, гомологический ряд, к которому они принадлежат, и их общие формулы рассматриваются в этом разделе: углеводороды (алканы, алкены, алкины), спирты, алкилгалогениды (особенно галогеналканы), альдегиды, кетоны. , карбоновые кислоты и сложные эфиры.Также рассматривается концепция насыщенных и ненасыщенных соединений, которая станет более важной позже в этой главе при изучении реакций. Также охвачены изомеры соединений с одинаковыми функциональными группами и соединения с разными функциональными группами.

• Именование ИЮПАК

  Хорошее знание именования ИЮПАК очень важно в органической химии. В этом разделе учащиеся расскажут о названии функциональных групп со многими рабочими примерами.Рассмотрение этих проработанных примеров и связанных с ними упражнений поможет учащимся понять этот раздел. Предусмотрен ряд занятий в классе, которые также помогут в понимании. Названия соединений с более чем тремя одинаковыми функциональными группами или более чем с одной функциональной группой не требуется CAPS. Допускается длина цепи не более восьми атомов углерода, а сложные эфиры не могут иметь разветвленных групп.

• Физические свойства и структура

  Перед началом этого раздела было бы полезно пересмотреть межмолекулярные силы 11 степени.Важными IMF в этом году являются водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса. Охватываемые физические свойства включают: вязкость, плотность, точки плавления и кипения, воспламеняемость и давление пара, летучесть, физическое состояние, запах. Было бы хорошо, если бы учащиеся пересмотрели форму молекулы с 11-го класса. Изменения физических свойств связаны с межмолекулярными силами молекулы, которые, в свою очередь, связаны с функциональными группами, длиной цепи и разветвлением цепи. Хотя они разделены на секции, учащийся должен понимать, что они связаны (разные межмолекулярные силы связаны с функциональными группами, длиной цепи и т. Д.).

• Применения органической химии

  В этом разделе учащиеся исследуют применение органических молекул. В частности, крекинг углеводородов и (полное) сжигание алканов. В этом разделе также более подробно рассматриваются сложные эфиры, используемые в промышленности.

• Реакции присоединения, отщепления и замещения

  Учащимся необходимо знать реакции добавления, удаления и замещения, упомянутые в этом разделе, включая условия реакции и основные и второстепенные продукты, которые будут образовываться.Они должны понимать разницу между реакцией присоединения, реакции элиминирования и реакцией замещения, а также реагентами, необходимыми для каждой конкретной реакции.

  № Требуются механизмы реакций, только уравнения реакций.

• Пластмассы и полимеры

  В этом разделе рассматриваются следующие полимеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, поливинилацетат, полистирол, полиэтилентерефталат и полимолочная кислота.Учащиеся должны понимать, что делает соединение полимером, разницу между реакцией присоединения и реакции конденсации и как определить полимер из мономера и мономер из полимера.

В этой главе есть несколько экспериментов. Учащиеся будут использовать опасные химические вещества и должны быть проинструктированы о правильном использовании защитного снаряжения, включая защитные очки, перчатки и защитную одежду. Им также следует напомнить, что нельзя вдыхать химические вещества, поскольку их пары также могут быть опасными.Дополнительная информация о лабораторных процедурах, а также о мерах предосторожности представлена ​​в главе 1 (Научные навыки).

Эти эксперименты также являются прекрасной возможностью побудить учащихся исследовать органические молекулы. Перед любым экспериментом следует изучить опасность используемых химикатов. Попросите учащихся провести исследование хотя бы для некоторых экспериментов перед их завершением, чтобы лучше понять молекулы.

Не путайте органические соединения с продуктами питания, произведенными естественным путем.Органические соединения часто производятся в лаборатории.

Органическая химия — это раздел химии, изучающий органических молекул . Органическая молекула — это молекула, которая содержит углерода , хотя не все соединения, содержащие углерод, являются органическими молекулами. Заметными исключениями являются оксид углерода (\ (\ text {CO} \)), диоксид углерода (\ (\ text {CO} _ {2} \)), карбонаты (например, карбонат кальция), карбиды (например, карбид кальция) и цианиды. (например, цианид натрия).Соединения чистого углерода, такие как алмаз и графит, также являются , а не органическими соединениями. Органические молекулы могут иметь размер от простых молекул до сложных структур, содержащих тысячи атомов!

Хотя углерод присутствует во всех органических соединениях, другие элементы, такие как водород \ ((\ text {H}) \), кислород \ ((\ text {O}) \), азот \ ((\ text {N}) \), сера \ ((\ text {S}) \) и фосфор \ ((\ text {P}) \) также распространены в этих молекулах.

Органическая молекула

Органическая молекула — это молекула, которая содержит атомы углерода (обычно связанные с другими атомами углерода, а также с атомами водорода).

Рис. 4.1. Простую органическую молекулу пропана можно использовать в газовой лампе (слева). Сложная органическая молекула ДНК несет генетический код человека и может использоваться для его идентификации.

Органические соединения очень важны в повседневной жизни, и они варьируются от простых до чрезвычайно сложных (рис. 4.1). Органические молекулы составляют большую часть нашего собственного тела, они находятся в пище, которую мы едим, и в одежде, которую мы носим. Органические соединения также используются для изготовления таких продуктов, как лекарства, пластмассы, стиральные порошки, красители и многие другие предметы.В природе встречаются миллионы органических соединений, а также миллионы синтетических (искусственных) органических соединений.

Что такое углеводороды? — Экологические системы побережья Мексиканского залива

Что такое углеводороды?

Углеводород — это органическое соединение, состоящее только из атомов водорода и углерода. Это гибриды группы 14, что означает, что они содержат водород, а также атомы группы углерода 14; углерод, кремний, германий, олово и свинец. Углерод имеет 4 электрона, что означает, что он должен образовать ровно 4 связи, чтобы быть стабильным.Другой тип углеводородов — это ароматические углеводороды, которые включают алканы, циклоалканы и соединения на основе алкинов. Углеводороды могут образовывать более сложные соединения, такие как циклогексан, связываясь сами с собой. Это известно как цепочка.

Обычные углеводороды:

• Метан (CH ₄ )
• Этан (C ₂ H ₆ )
• Пропан (C ₃ H ₈ )
• Бутан (C ₄ H ₁₀ )
• Пентан (C ₅ H ₁₂ )
• Гексан (C ₆ H ₁₄ )

Где находятся углеводороды?

Почти все углеводороды естественным образом встречаются в сырой нефти, например, в нефти и природном газе.Поскольку сырая нефть состоит из разложившихся органических веществ, она богата атомами водорода и углерода. Они также присутствуют в различных деревьях и растениях и образуют натуральный пигмент каротин, который содержится в моркови и зеленых листьях. Большая часть натурального сырого каучука, 98%, состоит из углеводородного полимера; он образуется, когда образуется цепочечная молекула, состоящая из множества звеньев, связанных вместе.

Для чего используются углеводороды?

Углеводороды — это наиболее широко используемое органическое соединение на планете и главный компонент ЛОС.Их считают движущей силой современной цивилизации, потому что они составляют ископаемое топливо. Эти виды топлива используются для сжигания, особенно в системах отопления и моторного топлива. Углеводороды, такие как пропан и бутан, используются в фонарях, зажигалках, грилях и в качестве топлива для устройств внутреннего сгорания. Пентан, еще один распространенный углеводород. При насыщении пентан становится жидкостью при комнатной температуре; эта жидкость используется как органический растворитель, транспортное топливо и моющее средство. Жидкие углеводороды оцениваются по свойствам горения относительно октанового числа; т.е. бензин для внутреннего сгорания в двигателях легковых, грузовых автомобилей и газонокосилок.Чуть более крупные молекулы углеводородов, известные как керосин, реактивное топливо, дизельное топливо и масло для отопления. Чем больше углеводородов, тем гуще соединение. Крупные углеводороды часто используются в качестве моторных масел и консистентных смазок. Что-нибудь толще, чем это, и они образуют воск или смолистое вещество, которое обычно используется в строительстве дорог и кровлях.

Большинство вышеперечисленных углеводородов являются результатом термического крекинга и фракционной перегонки сырой нефти. Но еще один очень распространенный источник — промышленная переработка этанола для производства этилена.Полученный этилен используется для промышленного синтеза других углеводородов.

Почему углеводороды вызывают беспокойство?

Сами по себе углеводороды не представляют опасности. Однако под воздействием солнечного света и / или оксидов азота они вступают в химическую реакцию. Хорошо известно, что выбросы и загрязнение, создаваемые людьми в этот индустриальный век, опасны, и углеводороды составляют большую часть этих вредных соединений. Углеводороды являются основным компонентом сырой нефти, природного газа и большинства пестицидов.Все эти вещества способствуют парниковому эффекту и разрушению озонового слоя. Они также снижают фотосинтетическую способность растений, увеличивают заболеваемость раком у людей и животных и повышают риск респираторных заболеваний. Самый известный и документально опасный из углеводородов — это разливы нефти. Разливы нефти уничтожают морские растения, ежегодно убивают и подвергают опасности сотни тысяч, если не миллионы, животных.

Как мы обрабатываем ленты Hydroca ?

Поскольку углеводороды являются одними из наиболее распространенных соединений, используемых в промышленных процессах и при сжигании топлива, существует несколько способов их уничтожения или уменьшения.

Установка для сжигания паров GCES на предприятии по переработке природного газа.

Первый — с помощью биофильтрации. Биофильтрация — это процесс использования естественного биологического окисления для разрушения и удаления летучих органических соединений, запахов и углеводородов. Проще говоря, биофильтрация — это разложение органических и неорганических веществ микроорганизмами. Воздух проходит через так называемый уплотненный слой среды, в результате чего загрязняющие вещества переходят в тонкую биопленку на поверхности уплотненной среды.Микроорганизмы размещаются в микропленке и разлагают загрязняющие вещества. Наиболее распространенные применения биофильтрации, биоскрубберов и биоокислителей включают в себя обработку сточных вод, улавливание ЛОС в поверхностных стоках и микробиотическое окисление загрязнителей воздуха.

Другой способ обработки углеводородов — установка сжигания пара или факел. Паровая камера сгорания (VCU) или факельная установка — это система снижения выбросов, используемая для уничтожения летучих жидких углеводородов, опасных загрязнителей воздуха (HAP) и летучих органических соединений (VOC).Эти системы часто используются вместо открытых факелов из-за недавних изменений в правилах, касающихся излучения паров и видимых выбросов. VCU считаются более безопасным и экономичным вариантом, чем открытые факелы. Компания Gulf Coast Environmental Systems является инновационным разработчиком экологических систем факельного сжигания газа с низким расходом, звуковых систем и многого другого.

Поглотители углерода — еще один распространенный способ утилизации углеводородов.В адсорбере угля загрязненный технологический поток протекает через слой активированного угля. Уголь удаляет ЛОС из технологического потока и поглощает их, удерживая на поверхности и в своих порах. Воздух без ЛОС выбрасывается в атмосферу. Углерод является отличным адсорбером органических материалов, таких как низкомолекулярные летучие органические соединения. Когда углеродный слой достигает своей емкости, концентрированные ЛОС десорбируются в поток пара низкого давления и либо рециркулируются, либо отправляются в термический окислитель для разрушения.

Если у вас есть дополнительные вопросы по этой теме, обращайтесь по адресу [email protected]

Дополнительные статьи в серии GCES «Снижение уровня опасных загрязнителей воздуха» включают:

Часть 1: BTEX — это аббревиатура, обозначающая бензол, толуол, этилбензол и ксилолы.

Часть 2: Снижение выбросов хлора

Часть 3: NOx — это семейство загрязняющих воздух химических соединений, оксидов азота.

Часть 4: Свинец также известен (ошибочно) как ртуть, потому что они часто встречаются вместе

Часть 5: Промышленные скрубберы для очистки аммиака

Часть 6: SOx, соединения молекул серы и кислорода, включая монооксид серы, диоксид серы и триоксид серы

Часть 7: Углеводороды — метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан

Часть 8: Метил меркаптан — метилмеркаптан, также известный как метантиол

Часть 9: H ₂ S — Сильнокоррозийный сероводород

Часть 10: Диметилсульфид — Метилтиометан

Часть 11: Серная кислота — H ₂ SO ₄

Часть 12: Оксид этилена — EtO

Часть 13: ПФАС как новые источники загрязнения

Основы компоста Биология и химия

Анаэробный Ферментация

Компостирование без кислорода приводит к брожению.Это вызывает органические соединения разрушаться под действием живых анаэробных организмов. Как в в аэробном процессе эти организмы используют азот, фосфор, и другие питательные вещества в развивающейся протоплазме клетки. Однако в отличие от аэробное разложение, это восстанавливает органический азот до органического кислоты и аммиак. Углерод из органических соединений, выделяется в основном как газ метан (Ч5). Небольшая часть углерода может вдыхаться как CO2.

Это анаэробный процесс протекает в природе. Примеры включают разложение органическая грязь на дне болот и погребенные органические материалы без доступа к кислороду. Болотный газ — это в основном метан. Интенсивный восстановление органических веществ путем гниения обычно сопровождается неприятными запахами сероводорода и восстановленных органических соединения, содержащие серу, такие как меркаптаны (любые серосодержащие органическое соединение).

С анаэробное разрушение органического вещества — процесс восстановления, конечный продукт, гумус, подвергается некоторому аэробному окислению. Это окисление незначительное, происходит быстро и не имеет никаких последствий. в использовании материала.

Там выделяется достаточно тепловой энергии для повышения температуры гниющего материала.При анаэробном растворении молекула глюкозы, всего около 26 ккал потенциальной энергии на грамм молекул глюкозы высвобождается по сравнению с 484-674 ккал для аэробное разложение. Энергия углерода находится в высвобожденном метан (Ч5). При преобразовании Ch5 в CO2 образуются большие количества тепла. Эта энергия от анаэробного разложения органических веществ может использоваться в двигателях для получения энергии и сжигаться для получения тепла.

Патогены может вызвать проблемы при анаэробном компостировании, потому что нет достаточно тепла, чтобы уничтожить их. Однако аэробное компостирование создает достаточно высокие температуры. Хотя тепло не играет роли в уничтожении болезнетворных микроорганизмов. организмы в анаэробном компостировании, они действительно исчезают в органической массе из-за неблагоприятной среды и биологические антагонизмы.Они медленно исчезают. Компостированный материал должны содержаться на срок от шести месяцев до года, чтобы обеспечить относительно например, полное уничтожение яиц аскарид. Аскариды нематодные черви, которые могут поражать кишечник. Они самые устойчивы к паразитам фекальных болезней в отходах.

Анаэробный компостирование может производиться большими, хорошо упакованными штабелями или другие системы компостирования.Они должны содержать от 40% до 75% влаги, в которые может проникнуть мало кислорода или влажность от 80% до 99% так что органический материал представляет собой суспензию в жидкости. Когда материалы компостируются анаэробно, неприятный запах может быть довольно тяжелый. Однако, если материал находится в воде, газы растворяются в воде и обычно медленно выделяются в атмосфера. Если воду заменяют время от времени, когда удалив часть материала, запах не станет серьезной неприятностью.

Оба Для аэробного и анаэробного компостирования требуются бактерии. Некоторые бактерии лучше работать в той или иной среде. Компостные груды под аэробные условия могут достигать температуры от 140 ° до 160 ° F в от одного до пяти дней в зависимости от материала и состояния операции компостирования. Эту температуру также можно поддерживать в течение нескольких дней, прежде чем потребуется дальнейшая аэрация.Тепло необходимо для создания и поддержания этой температуры должны использоваться аэробные разложение, для которого требуется кислород. Через некоторое время материал станет анаэробным, если его не проветрить. Вероятно, есть период между истощением кислорода и анаэробностью становятся очевидными условия, во время которых процесс носит аэробный характер.

«Аэробика компостирование «требует значительного количества кислорода и производит нет характерных черт анаэробного гниения.Аэробное компостирование можно определить как процесс, в котором под подходящие условия окружающей среды, аэробные организмы утилизируют значительные количество кислорода в разлагающемся органическом веществе до довольно стабильного перегной.

«Анаэробный компостирование »описывает процесс гнилостного разложения органического вещества путем восстановления в отсутствие кислорода, где конец выделяются такие продукты, как Ch5 и сероводород (h3S).

Органический или неорганический кислород

Наборы молекулярных моделей MolyMod предназначены для использования студентами, преподавателями и исследователями. В популярных наборах Prentice Hall для общей и органической химии используются атомы Molymod и связи связей, и их можно модернизировать или настраивать с помощью дополнительных деталей модели.

Аннотация. Кислородобарьерные свойства композитных материалов, состоящих из подложки из ПЭНП толщиной 45 мкм, покрытой тонким слоем (0,7-1 мкм) наноструктурированных гибридных органических / неорганических материалов на основе SiO2 и полиэтилен-полиэтиленгликоля. Блок-сополимеры (PE-PEG), полученные золь-гель методом, были охарактеризованы при 35 ° C и 50 ° C

Кислород обычно классифицируется как один из компонентов органической молекулы, а не как отдельный компонент ( он также может быть частью неорганического вещества, например оксида металла).Однако это тоже не совсем неорганическое вещество.

1 декабря 2010 г. · • Органические и неорганические формы: основные категории. Сложный. … Органический углерод (без кислорода) Нитрит N. Аммиакокисляющие бактерии. Гидролиз. Конверсии: цикл N в …

21 CFR 862.1410 — Тест-система на железо (негемовое). Свод федеральных правил, 2012 CFR. 2012-04-01 … диагностика и лечение таких заболеваний, как железодефицитная анемия, гемохромат

Полный список см. На course.lumenlearning.com

21 декабря 2015 г. · Это синтетический полимер кремния с углеродом и кислородом, который может быть в твердой, жидкой или гелевой форме.Точнее, полимеризованные силоксаны или полисилоксаны, силиконы состоят из неорганической кремний-кислородной основной цепи (⋯ –Si – O – Si – O – Si – O–) с органическими боковыми группами, присоединенными к атомам кремния.

Неорганический / органический (учительский) набор Ссылка на статью: MMS-004 -108 атомов. Поставляется в одной большой коробке. Органический (Учительский) набор Артикул: MMS-003-111 Атомы.