Занимательная геохимия. Химия земли: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

История миграции фосфора в земной коре необычайно интересна. Судьба фосфора связывается со сложным процессом жизни и смерти. Но накапливается фосфор там, где гибнет органическая жизнь и где происходит массовая гибель животных, на стыке морских течений, где создаются подводные кладбища. Фосфор в земле накапливается двояко: или в глубинных месторождениях апатита, выделившегося из горячих расплавов магмы, или в остатках скелетных частей животных. Сложный круговорот проходит атом фосфора в истории Земли. Отдельные звенья его странствований открыты химиками, геохимиками и технологами. Прошлая судьба его теряется в глубинах земных недр, его будущее — в мировой промышленности, на сложных путях технического прогресса.

Сера — двигатель химической промышленности

Сера является одним из самых первых известных человеку химических элементов. Она встречалась во многих местах побережья Средиземного моря и не могла ускользнуть от внимания древних народов — греков и римлян. Вулканические извержения неизменно выносили с собой огромные количества серы; и запах сернистого газа и сероводорода считался признаком деятельности подземного бога Вулкана. Чистые, прозрачные кристаллы серы в крупных месторождениях Сицилии были замечены за много столетий до нашей эры. Особое внимание привлекала способность этого камня выделять удушливые газы. Именно это необычное свойство и было причиной того, что сера в те времена считалась одним из основных элементов мира.

Поэтому неудивительно, что в представлениях древних натуралистов, а особенно алхимиков, сера всегда играла совершенно исключительную роль при описании процессов вулканической деятельности или образования горных хребтов и рудных жил.

Сера, как казалось алхимикам, вместе с тем обладала таинственным свойством выделять новые вещества при горении и потому должна была являться недостающей составной частью философского камня, который они так тщетно пытались найти, чтобы суметь получить искусственное золото.

Представление об исключительной роли серы в природе прекрасно передано в знаменитом трактате Ломоносова «Слово о рождении металлов от трясения земли». Приводим несколько мест, сохраняя богатство и звучность языка Ломоносова:

«Рассуждая толикое подземного огня множество, тотчас мысль обращается к познанию материи, которую он содержится…» «Что ж к возгорению удобнее серы? Что к содержанию и питанию огня ее неодолимее?» «Какая горючая материя изобильнее оныя из недр земных выходит? Ибо не токмо из челюстей огнедышащих гор отрыгается и при горючих из земли кипящих ключах и при сухих подземных продушинах в великом множестве собирается, но нет ни единой руды, нет почти ни единого камня, который бы через взаимное с другим трение не дал от себя серного духу и не объявил бы тем ее в себе присутствие…» «Загоревшись, великое количество серы в земном недре и расширив тяжкий воздух в пропастях, в лежащую сверху землю оным упирает, поднимает и по разным сторонам разным количеством движения разными образы трясения производит; и в тех местах прежде всего прорывается, где найдет меньше сопротивления; разрушенной земной поверхности легкие части выстреливает на воздух, которые, падая, окрестные поля занимают; прочие, ради великой огромности, осилив тягостию своею пламень и обрушась, гору составляют…

Видели мы, слушатели, превеликое в недрах земных огня множество и нужныя к его питанию серы изобилие, довольное к земному трясению и к произведению перемен великих, бедственных, но и полезных, страшных, но и услаждение приносящих».

Действительно, глубины земных недр содержат значительное количество серы и при своем охлаждении выделяют много летучих соединений различных металлов в сочетании с серой, мышьяком, хлором, бромом и йодом. Об этом мы можем судить не только по запаху, свойственному выделениям вулканов, удушливым соффионам южной Италии или облакам сернистого газа камчатских извержений: сера выносится также и в растворах и в трещинах образует рудные жилы. Вместе с мышьяком и сурьмой, своими друзьями и спутниками в этих летучих горячих флюидах, она образует те минералы, из которых человек с древнейших времен добывает цинк и свинец, серебро и золото.

Но на земной поверхности эти темные, непрозрачные, блестящие полиметаллические руды и разного рода блески и колчеданы подвергаются воздействию кислорода воздуха и воды; последние действуют на соединения серы и образуют новые соединения, а серу окисляют в сернистый газ. Мы знаем этот газ по запаху серных спичек. Он образует с водой сернистую и серную кислоты.

Подобным образом сера и ее продукты выделяются при окислении больших колчеданных линз, разрушают окружающие породы и, соединяясь с более устойчивыми элементами, дают в конце концов гипс или другие минералы. Нужно сказать, что серная кислота, которая образуется в месторождениях колчеданов, а также и там, где добывают самородную серу, обладает разрушительными свойствами.

Вспоминается рудник Медногорск на Южном Урале, где выделения серной кислоты при окислении колчедана настолько велики, что уберечься от ее ядовитой деятельности нет никакой возможности, и одежда всех рабочих, занятых на этих рудниках, очень быстро приходит в негодность.

Работая в каракумских песках, мы не знали этого свойства серных месторождений; и когда наши образцы серной руды, аккуратно завернутые в бумагу, прибыли в Ленинград, оказалось, что бумага совершенно разъедена, от этикеток остались только отдельные обрывки, а местами оказались поврежденными даже ящики. Виновника этих бедствий, природную серную кислоту, пришлось описать как новый самостоятельный жидкий минерал.

Схема действующего вулкана

Каракумская руда отличается тем, что состоит из смеси песка с серой.

Чтобы выделить чистую серу, инженер-химик П. А. Волков предложил оригинальный способ. В котел, работающий под большим давлением, закладывают мелкую руду, наливают воду, котел герметически закрывают, в него пропускают из парового котла пар под давлением в 5–6 атмосфер. Температура в автоклаве достигает 130–140°, сера плавится и собирается в нижней части котла, тогда как песок и глина, взбалтываемые паром, увлекаются кверху. Через некоторое время открывают кран, и сера спокойной струей стекает в специальные лотки. Весь процесс плавки длится около двух часов. Так просто решили советские инженеры проблему очистки каракумской серы.

Сера недолго остается в своем первоначальном виде: она скоро соединяется с различными металлами, образует в вулканических районах скопления алунита, белыми пятнами или полосами расходящегося вокруг действующих вулканов.

Некоторые астрономы думают, что именно алунитом обусловливаются те белые ореолы и белые лучи, которые окружают кратеры лунных гор.

Большое количество окисленной серы находится в соединении с кальцием. Такое соединение довольно трудно растворимо в лабораторных условиях, но зато это достаточно подвижное соединение в земле. Это соединение, которое мы называем гипсом, в больших количествах осаждается в виде мощных слоев в соляных озерах и усыхающих морских бассейнах.

Но на этом не заканчивается история серы на земной поверхности. Часть серной кислоты вновь превращается в газ; целый ряд микроорганизмов восстанавливает серу; из растворов ее солей образуются сероводород и летучие газы, которые в грандиозных количествах выносятся нефтеносными водами, насыщают собой воздух в болотистых низинах, а в ряде лиманов и озер образуют черную илистую массу, которую мы называем лечебной грязью и широко используем для лечения в Крыму и на Кавказе.

Огромная часть серы улетает в воздух в виде сероводорода, вновь возвращаясь в подвижную форму. Таким образом завершается один из циклов сложного круговорота этого элемента в геологической истории Земли.

Но человек резко изменил пути, которые проходит сера на Земле; она оказалась ценнейшим объектом промышленности. В чистом виде ее мировая добыча составляет лишь миллион тонн в год. В соединениях же с железом, из которых получается сера для кислоты, ее добывают в год десятки миллионов тонн.

Сера стала основой химической промышленности; и трудно даже перечислить те отрасли промышленной техники, где она применяется. Я назову лишь самые главные из них, но и из этих примеров будет видно, что без серы промышленность существовать не может. Сера нужна для получения бумаги, целлулоида, красок, большинства лекарств, спичек, для очистки бензина, эфира, масел, для приготовления фосфорных удобрений, купоросов, квасцов, соды, стекла, брома, йода. Без нее трудно получить азотную, соляную и уксусную кислоты; и понятно, что в истории промышленного развития с начала XIX века сера играет огромную роль. В виде серной кислоты она нужна для получения динамита, а использование в черном порохе сделало ее совершенно необходимой для огнестрельного оружия.

Поэтому борьба за серу проходит через всю историю XVIII века. Долгое время единственным поставщиком серы была Сицилия. Она находилась в руках итальянского королевства, и много раз с начала XVIII века английские фрегаты бомбардировали сицилийские берега, стремясь овладеть этим богатством. Но затем шведы открыли способ получения серы и серной кислоты из колчедана. Огромные испанские месторождения колчеданов сделались объектом внимания всех европейских государств, и тогда английские фрегаты появились у берегов Испании, чтобы овладеть и этим источником серы и серной кислоты. Сицилийские месторождения были заброшены, все внимание сконцентрировалось на Испании.

Но вот в Америке открыты первые богатейшие месторождения серы на полуострове Флорида.

В погоне за прибылью здесь был предложен на первый взгляд совершенно невероятный метод: стали накачивать в глубины перегретые пары воды, которые благодаря низкой температуре плавления серы, 119°, расплавляли ее внутри земли и выталкивали в жидком виде на поверхность.

Удалось построить первую установку для откачки расплавленной серы, которая выбрасывалась на землю и застывала в виде громадных холмов.

Этот метод очень производителен, и в Америке стали получать с его помощью грандиозные количества серы. Итальянские и испанские месторождения отошли на второй план.

И снова новая, блестящая мысль рождается в стране сернистых руд, в полярной Швеции. На одном из заводов стали получать серу попутно при обработке колчеданных руд.