Земля-снежок
Сейчас оледенение, которое открыл Харленд, принято называть эпохой «Земли-снежка» (Snowball Earth). Судя по всему, оно действительно было всепланетным. А главной его причиной считается резкое ослабление парникового эффекта из-за падения концентрации углекислого газа (который стал главным парниковым газом после того, как кислород «съел» почти весь метан).
Дело в том, что оборот углекислого газа гораздо меньше зависит от живых существ, чем оборот кислорода. Основным источником атмосферного CO2 на Земле до сих пор служат извержения вулканов, а основным стоком — процесс, который называется химическим выветриванием.
Углекислый газ взаимодействует с горными породами, разрушая их, а сам при этом превращается в карбонаты (ионы HCO3− или CO32−). Последние хорошо растворяются в воде, зато в состав атмосферы больше не входят.
На исходе «скучного миллиарда», 800 миллионов лет назад, почти вся земная суша входила в состав единственного суперконтинента под названием Родиния. По словам одного известного геолога, гигантские суперконтиненты, как и крупные империи в социальной истории Земли, всегда оказывались неустойчивыми (В. Е. Хаин, М. Г. Ломизе.
Геотектоника с основами геодинамики. М: Изд-во МГУ, 1995). Поэтому неудивительно, что Родиния начала раскалываться. По краям разломов застывал извергнутый базальт, который сразу же становился объектом химического выветривания. Почвы тогда не было, и продукты выветривания легко сносились в океан.
Вулканизм, которым распад суперконтинента неизбежно сопровождался, мог бы компенсировать это, если бы не одно случайное обстоятельство. В силу каких-то причуд дрейфа континентов и Родиния, и ее обломки находились у экватора, в теплом поясе, где химическое выветривание шло особенно быстро.
Математические модели показывают, что именно по этой причине концентрация CO2 опустилась ниже порога, за которым начинается оледенение (Nature, 2004, 428, 6980, 303–306). А когда оно началось, тормозить выветривание было уже поздно.
Надо признать, что положение континентов в позднем протерозое оказалось настолько неудачным (с точки зрения обитателей планеты), насколько это вообще возможно. Дрейф континентов управляется потоками вещества земной мантии, динамика которых, по сути, неведома.
Но мы знаем, что в данном случае эти потоки собрали всю земную сушу в единый континент, находящийся точно на экваторе и вытянутый по широте. Если бы он оказался на одном из полюсов или был вытянут с севера на юг, начавшееся оледенение закрыло бы часть пород от выветривания и тем самым приостановило уход углекислого газа из атмосферы — тогда процесс мог затормозиться.
Как раз такую ситуацию мы наблюдаем сейчас, когда есть ледяные щиты Антарктиды и Гренландии (Scientific American, 1999, 9, 38). А в конце протерозоя почти все крупные участки суши находились близко к экватору — и были обнажены до того момента, когда северный и южный ледяные покровы сомкнулись. Земля стала ледяным шаром.
На самом деле эпизодов «Земли-снежка» было не меньше трех. Первый из них относился еще к гуронскому оледенению (которое, как мы помним, произошло не из-за углекислого газа, а из-за метана). Потом в течение более чем миллиарда лет никаких оледенений не было совсем.
А затем последовали еще два разделенных небольшим перерывом всепланетных оледенения, одно из которых длилось примерно 60 миллионов лет, другое — примерно 15 миллионов лет. Именно их открыл Брайан Харленд. Геологический период, охватывающий эти оледенения, называют криогением (он является частью протерозоя).
О живой природе криогения известно мало. Климат тогда на всей Земле был, по нынешним меркам, антарктическим. Большую часть Мирового океана покрывал километровый слой льда, так что интенсивность фотосинтеза не могла быть высокой. Свет, неожиданно ставший ценнейшим ресурсом, попадал в океан только местами, сквозь трещины, полыньи или небольшие участки тонкого льда.
Удивительно, что некоторые многоклеточные организмы сумели пережить криогений, совершенно не изменившись, — например, красные водоросли. Они и сейчас приспособлены к тому, чтобы использовать очень слабый свет, проникающий на такую глубину, где уже не живут никакие другие фотосинтезирующие существа (Ю. Т. Дьяков.
Введение в альгологию и микологию. М.: Изд-во МГУ, 2000). Никуда не делся и одноклеточный планктон. Содержание кислорода в криогениевом океане сильно упало, поэтому жизнь на его дне, скорее всего, была в основном анаэробной, но подробности этого от нас пока скрыты.
Окончания эпизодов «Земли-снежка» тоже по-своему драматичны. Во время всепланетных оледенений все процессы, связанные с поглощением больших объемов углекислого газа, в буквальном смысле замораживались. А между тем вулканы (работу которых никто не останавливал) выбрасывали и выбрасывали CO2 в атмосферу, постепенно доводя его концентрацию до огромных величин.
В какой-то момент ледяной щит уже не мог сопротивляться парниковому эффекту, и тогда начинался лавинообразный процесс разогрева планеты. Буквально за несколько тысяч лет — то есть геологически за мгновение — весь лед таял, освободившаяся вода заливала значительную часть суши мелкими окраинными морями, а температура земной поверхности, судя по расчетам, подскакивала до 50°С (Engineering and Science, 2005, 4, 10–20).
Продолжение в следующем номере.
Кто открыл углекислый газ — мастерок
Так кто же всё таки и когда изобрёл газированную воду?
Открытие углекислого газа.
По соседству с домом Джозефа Пристли находилась пивоварня, куда он иногда захаживал. Здесь Пристли с интересом наблюдал, как в чанах бродит пиво, выделяя на поверхность мелкие пузырьки газа. Хозяева заведения были, разумеется, совершенно равнодушны к вопросам Пристли о существе газовых пузырьков, а ответ одного из современников, химика Джозефа Блэка (Joseph Black, 1728-1799), что это – «фиксированный воздух», тоже не удовлетворил его любознательности. Пристли подобрал кое-какую стеклянную химическую посуду и начал улавливать и изучать собранные газовые пузырьки. Так в 1771 г. был повторно открыт углекислый газ.
Хотя углекислый газ уже был открыт в 1754 г. Джозефом Блэком , более подробно изучил его и выделил в чистом виде именно Пристли. Ему же принадлежит открытие в 1771 г. роли углекислого газа в дыхании растений. Пристли заметил, что зеленые растения на свету продолжают жить в атмосфере этого газа и даже делают его пригодным для дыхания. Классический опыт Пристли с живыми мышами под колпаком, где воздух «освежается» зелеными ветками, вошел во все элементарные учебники естествознания и лежит у истоков учения о фотосинтезе.
Изобретение газированной воды и ластика.
В наше время уже мало кто знает, что появлением столь популярных газированных напитков человечество обязано Джозефу Пристли. Сама по себе идея производства газированных безалкогольных напитков возникла давно. Своим происхождением она обязана обычной минеральной воде. Все было очень просто – газированная вода из источников всегда вызывала восторг: её было интересно пить, она щекотала нос, а купание в ней было верхом блаженства. Кроме того, минеральная вода оказалась полезной для здоровья.
Открытие способа газирования воды было сделано очень просто. В одной из пивоварен г.Лидса Пристли водрузил два контейнера с водой над варящимся пивом. Через некоторое время вода зарядилась пивным углекислым газом. Первая бутылка питьевой газированной воды была изготовлена им 1767 г. Тремя годами позже шведский химик Торберн Бергман изобрел прибор, с помощью которого можно было производить газировку в достаточно больших количествах. Якоб Швепп разработал в 1783 г. промышленный метод изготовления газированной воды. Собственно говоря, с этого всё и началось-поехало… В середине 1800-х годов к шипучей воде стали добавлять сахар, фруктовые соки и вкусовые добавки. Потом появились компании, специализирующиеся на выпуске и продаже газированных напитков. Опыты английского провинциального священника и его последователей привели в итоге к тому, что сейчас только в США за год продается газированной воды на сумму около 50 миллиардов долларов. Сам Пристли и не помышлял о таком потенциальном коммерческом успехе своего открытия. Он наивно полагал, что газированная вода может стать прекрасным средством для лечения цинги, основываясь на ложных представлениях, что процессы гниения связаны с потерей «фиксированного воздуха», т.е. углекислого газа. В связи с этим он даже прочитал в 1772 г. в Королевском научном обществе доклад о свойствах газированной воды, подготовив для «презентации» партию «Пирмонтской воды» (содовая газировка по его собственному рецепту). В этом же году была опубликована его книга Изготовление карбонированной воды (On Making Carbonated Water), с которой собственно и началось распространение газированной воды по всему свету. За эту работу Пристли был удостоен медали Лондонского Королевского общества.
С именем Пристли связано ещё одно чудесное изобретение, без которого нельзя в настоящее время представить жизнь современного школьника или студента. Пристли случайно обнаружил, что сырой натуральный каучук способен стирать следы графита (карандаша) лучше, чем частицы хлеба, которые использовались в то время с этой же целью. Это преимущество каучука связано с тем, что его трение по бумаге производит электростатическое напряжение, которое позволяет частицам каучука притягивать частицы
В 1756 г. появилась работа Дж. Блэка «Эксперименты над белой магнезией, негашеной известью и некоторыми другими щелочными веществами». Прокаливая определенную навеску белой магнезии до постоянной массы, Дж. Блэк получил остаток (оксид магния), который он растворил в серной кислоте, а затем прилил раствор карбоната калия (поташ), в результате чего образовался осадок, который обладал свойствами белой магнезии, и его масса оказалась почти равной массе взятой соли. Эти операции, если воспользоваться современными формулами, можно выразить следующими уравнениями:
Так, Дж. Блэк «с весами в руках» доказал, что поташ отдал прокаленной «белой магнезии» то количество газа, которое было необходимо для превращения ее в белую магнезию. Руководствуясь законом сохранения массы, он показал, что при обжиге мела происходит потеря около 44 % его первоначальной массы. По мнению Дж. Блэка, это может быть объяснено тем, что часть материи выделилась в виде газа и небольшого количества воды.
Дж. Блэк
Дж. Блэк писал, что «белый порошок («мягкая магнезия») растворяется в кислотах с обильным выделением пузырьков и снова получает все свойства, которые он потерял при накаливании. Кроме того, он увеличился в весе почти на столько же, сколько он потерял при накаливании, а так как он растворяется в кислотах с образованием пузырьков, то часть его веса, без сомнения, должна быть приписана воздуху». Так Дж. Блэк взвесил газ в связанном состоянии. Процесс обжига известняка и белой магнезии, согласно представлениям Дж. Блэка, протекает по следующей схеме: известняк (белая магнезия) = известь (жженая магнезия) «связанный воздух»:
Дж. Блэк нашел, что при обжиге 120 гран мела получается 68 гран извести и 52 грана газа. Это пример первого химического исследования, когда газ участвовал как составная часть химического, соединения, без которой нельзя было составить материальный баланс реакции.
Вывод о том, что уменьшение массы белой магнезии и известняка (СаСОз), вызванное выделением заключенного в твердом «камне» «связанного воздуха», имел принципиальное значение для последующего развития газовой химии. Чтобы понять это, необходимо вспомнить, как долго в химии господствовала точка зрения, что значительная потеря массы вещества при его химических превращениях не может произойти за счет «легкого духа».
Дж. Блэк установил, что «связанный воздух» — углекислый газ — отличается от обыкновенного воздуха тем, что он тяжелее атмосферного и не поддерживает ни горения, ни дыхания. Если, например, выдыхать воздух через U-образную трубку, наполненную известковой водой, то происходит помутнение воды. Ученый пришел к выводу, что «связанный воздух» выделяется в процессе дыхания и в процессе сгорания древесного угля. Дж. Блэк, а за ним Д. Макбрайд (1767) показали, что «связанный воздух» тождествен газу, образующемуся при брожении вина. В то время углерод еще не рассматривался как элемент, а кислород не был известен. И хотя Дж. Блэк знал, что «связанный воздух» — это продукт сжигания древесного угля, он не мог представить его как соединение углерода и кислорода.
Работа Дж. Блэка, в которой была установлена химическая индивидуальность углекислого газа как самостоятельного газа, обладающего специфическими, только ему присущими свойствами, помимо своего большого научного интереса, имела практическое значение (объяснение процесса затвердевания известкового раствора — карбонизации извести и обжига извести).
Исследования Дж. Блэка оказали большое влияние, например, на Б. Хиггинеа, который в 70-х годах XVIII в. занимался изготовлением «водного цемента», или штукатурки, для строительных целен.
Значение открытия и последующего определения состава углекислого газа для развития естествознания трудно переоценить. Уже на рубеже XVIII и XIX столетий было установлено, что углекислый газ атмосферы является главным источником углерода для живого вещества. Без этого газа и угольной кислоты, растворенной в воде, не было бы жизни на Земле.
Углекислота (общие сведения)
Углекислота, также известная как диоксид углерода, угольный ангидрид, углекислый газ, двуокись углерода и оксид углерода IV, в обычной среде является бесцветным газом, лишенным запаха, но обладающим специфическим кисловатым привкусом. Этот газ образуется при соединении углерода и кислорода.
Краткая информация:
Формула: CO2
Плотность: 1,97 кг/мі
Молярная масса вещества: 44,0095(14) г/моль
Температура кипения под давлением: 57 °C
Температура плавления: 78 °C, вещество возгоняется (переходит из твердого состояния в газ, минуя жидкое состояние)
Кристаллическая решетка: молекулярная
Форма молекулы: линейная
Общие сведения об углекислоте
Углекислота в полтора раза тяжелее кислорода. При 10°C под давлением 30 атмосфер она превращается в жидкость, а при замораживании образует твердый сухой лед. Примечательно, что при нормальном атмосферном давлении углекислота, минуя жидкое состояние, при нагревании переходит из твердого состояния сразу в газообразное.
Концентрация углекислоты в атмосфере нашей планеты достигает 0,0395%, а уровень ее содержания в воздухе продолжает расти с момента начала увлечения человечества техническим прогрессом. Увеличение количества углекислоты в атмосфере обусловлено продолжительным использованием людьми продуктов горения органический веществ, таких как нефть, древесина и уголь.
Двуокись углерода, растворенная в воздухе, поглощает инфракрасные лучи, которые испускает Земля, и играет значительную роль в глобальном потеплении. Предположив на секунду, что углекислый газ исчез из нашего мира, мы получим безрадостную картину холодной и иссохшей планеты. На самом деле именно этот газ используют растения для того, чтобы напитать себя полезными органическими веществами. А вот для человека концентрация в атмосфере углекислоты в размере 7-10% может оказаться опасной для здоровья и жизни. При таком высоком содержании этого газа в воздухе человек может испытывать невыносимую головную боль, тошноту и сильную слабость, вплоть до потери сознания.
Несмотря на то, что углекислота в сильной концентрации способна оказать на человека негативное воздействие, этот газ не относится к токсичным или взрывоопасным веществам.
История открытия углекислоты
Любопытен тот факт, что в настоящее время невозможно достоверно определить, кто именно первым открыл углекислый газ. Версии выдвигаются самые разнообразные. Одно известно наверняка – оксид углерода IV обязан своим названием Антуану Лавуазье, который определил состав этого газа в 1774 году. Также существуют документальные свидетельства того, что примерно в это же время Джозеф Пристли и Карл Шееле в ходе различных экспериментов сумели выделить углекислый газ. Кроме того, в 1620 году голландский химик Ван Гельмонт описал выделение углекислоты в результате горения органического вещества, опередив Лавуазье более чем на полтора века.
Свойства углекислоты
Углекислый газ имеет кисловатый привкус, но лишен цвета и запаха. Он легко растворяется в воде, а при замерзании превращается в «сухой лед». Если замерзшую углекислоту нагреть при нормальном атмосферном давлении, то она испарится, минуя жидкое состояние.
Диоксид углерода выделяется с дыханием животных и людей и является одним из основных участников метаболизма в организме. В светлое время суток углекислый газ поглощается растениями. Происходит процесс фотосинтеза, в результате которого вырабатывается кислород.
Углекислый газ относится к ангидридам, то есть кислотным оксидам. Растворенный в воде, он образует угольную кислоту. Углекислота образует карбонаты и гидрокарбонаты в результате реакций с сильными основаниями – щелочами. Также она способна участвовать в реакциях нуклеофильного присоединения и электрофильного замещения.
Получение углекислоты
В лаборатории углекислоту легко можно получить как продукт реакции различных кислот с карбонатами и гидрокарбонатами. Очень просто можно выработать углекислый газ при взаимодействии лимонной кислоты и обычной пищевой соды. Оба эти вещества широко распространены и применяются в повседневной жизни, а значит, такой опыт под силу провести любому человеку. Подобный способ получения диоксида углерода раньше широко использовался аптекарями для изготовления газированных напитков.
Основным промышленным способом получения чистого углекислого газа является его выделение из веществ, в большей степени состоящих из диоксида углерода в сочетании с азотом или метаном. Для этого способа характерно использование углекислотных станций абсорбцонно-десорбционного типа и применение жидких химических абсорбентов.
Как правило, в промышленном масштабе углекислота вырабатывается как побочный продукт различных химических процессов. Образовавшиеся в результате подобных реакций газы обрабатываются раствором карбоната калия. Из полученного в итоге гидрокарбоната путем нагревания выделяют углекислоту.
Применение углекислоты
Необходимость создания и развития промышленного производства углекислого газа обусловлена множеством областей его применения и невероятной широтой использования.
Углекислота используется как защитная среда при сварке проволокой. Высокие температуры приводят к выделению кислорода, что ведет к окислению металлов, поэтому в сварочную проволоку вводятся марганец или кремний, выполняющие функцию раскислителей.
Жидкая углекислота, получаемая под давлением, используется при производстве огнетушителей и для создания газированных напитков. В пищевых целях углекислоту используют еще и в качестве разрыхлителя и консерванта.
В твердом состоянии углекислота используется в качестве рабочего вещества холодильных установок.
Углекислый газ используется в сельском хозяйстве для «подкормки» зеленых культур. В России зимой недостаток света отрицательно сказывается на урожайности тепличных растений. Использование диоксида углерода позволяет добиться прироста растений и урожая.
Интересные факты об углекислоте
Углекислый газ в значительном объеме содержится в атмосферах планет Венеры и Марса. На Земле огромное количество углекислого газа растворено в водах мирового океана.
Опытным путем было установлено, что если в организме практически отсутствует углекислый газ, то кислород не может насытить клетки тела, выделившись из связанного с гемоглобином состояния. Таким образом, недостаток углекислого газа в теле способен привести к кислородному голоданию всего организма.
В процессе дыхания человек способен выделять до 1 кг диоксида углерода в течение одних суток.
В летнее время года, когда длительность светового дня заметно увеличивается, содержание диоксида углерода в атмосфере падает, поскольку растения в процессе фотосинтеза вырабатывают кислород и поглощают углекислый газ именно в светлое время суток.
В Украине и на территории Евросоюза и стран СНГ промышленными поставками диоксида углерода и прочих медицинских, технических и чистых газов занимается компания «DP Air Gas». Приоритетной задачей предприятия является предоставление своим клиентам товаром высочайшего качества. Продукция компании «DP Air Gas» — залог безопасности и хорошего результата.
No related posts.