Carbon and Life

Трудно переоценить важность углерода; его уникальная способность формировать многократные связи и цепи при низких энергетических затратах делают жизнь такой, какой мы ее знаем, она также обосновывает целую важную отрасль химии – органическую химию – посвященную соединениям углерода. Фактически, большинство соединений, известных науке, являются соединениями углерода, их часто называют органическими соединениями, потому что в биохимии они были первыми, тщательно изученными соединениями.

Углерод способен соединиться с четырьмя другими атомами – это и делает его таким уникальным. Это делает возможным формирование из атомов углерода вместе с другими атомами - почти всегда с водородом, часто с кислородом, иногда с азотом, серой или галогенидами - длинных цепей и колец. Их изучение – основа органической химии; соединение углеродных форм с металлами в основном считаются неорганическими. Цепи и кольца – основы для форм жизни, базирующихся на углероде, это -всем известные жизненные формы – создают сами себя. Кремний способен к формированию тех же цепей и структур, но мнения разделяются по вопросу о том, являются ли реалистичными перспективами жизненные формы, базирующиеся на кремнии – частично из-за того, что для их формирования необходимы высокие энергетические затраты, частично из-за того, что поскольку двуокись углерода (один из побочных продуктов дыхания, процесса важнейшего для всей известной жизни) – это газ и поэтому легко удаляется из организма, а его двойник – двуокись кремния (кремнезем) обладает неудобно высокой температурой плавления, представляющей собой серьезную проблему при устранении отходов для любой формы жизни, в основе которой мог бы быть кремний.

Топливо

Почти все, что мы используем как топливо, будь это еда или электростанции, всегда основано на одном или другом виде углеродной цепи; все от природного газа до бензина, от спирта до масла, до воска и пластика состоит из углеродных цепей различных длин. Основное правило: чем длиннее цепи и чем более они насыщенны (имеется в виду, что каждый атом углерода присоединяется к четырем другим атомам), тем менее летучим и более вязким будет вещество, и тем выше температура его испарения. Этот диапазон отклонения температур делает возможным выделение широкого ряда различных углеводородов, присутствующих в сырой нефти, в ходе технологического процесса известного как фракционированная дистилляция, нагревание нефти последовательно до разных температур и сбор освободившихся испарений. Еще один большой класс топлива, базирующегося на углероде (универсального в использовании растениями и животными, но редко используемого на электростанциях) – это семейство углеводов – молекулы сахара и все, что можно из них сделать, например, крахмал, целлюлоза и т.п.

Элементарный углерод

Кроме миллионов своих соединений, углерод также по-разному соединяется сам с собой для того, чтобы образовать графит, алмаз, фуллерены и аморфные твердые тела. При определенных условиях, он также может образовывать белую сажу – прозрачный, двулучепреломляющий материал, о котором, кажется, больше ничего неизвестно.

В графите, возможно, наиболее известном за его применение в качестве стержня карандаша (для чего его смешивают с клеем), углерод свободно соединяется в кристаллические слои, которые способны скользить друг над другом, поэтому он относительно мягкий и осаждается на плоских поверхностях, когда перемещается над ними. Он используется как смазочный материал, в глине и как электрический проводник – одно из немногих твердых тел, неметаллических электрических проводников. Алмаз, напротив, самое твердое вещество известное человеку; он обладает плотной, кристаллической структурой и удивительно хорошо проводит тепло, однако электричество почти не проводит. Благодаря его твердости, он много используется в промышленных целях, тогда как его высокий показатель преломления придает украшениям блеск, с которым трудно сравниться.

Другая форма элементарного углерода, фуллерен, не была замечена до 1985 года, хотя о возможности ее существования выдвигались предположения задолго до этого, в 1966 году. Самый основной фуллерен (C60, бакиболл – сокращенное от бакминстерфуллерен) имеет форму футбольного мяча - для американца это футбольный мяч, для математика – это усеченный икосаедр – шарообразная сеть шестиугольников и пятиугольников. В середину этого могут быть куда угодно добавлены кольца из шестиугольников, для того чтобы сделать фуллерены больших размеров – от одного кольца (C70) до тысяч, делая из всего углеродные нанотрубки до миллиметра длиной. Трубки также могут существовать без полусферических шапок на любом из двух концов, но в таком случае, они технически не являются фуллеренами, потому что не содержат двенадцать пятиугольников, необходимых, для того чтобы согнуть лист шестиугольников в замкнутую фигуру.

Открытие фуллеренов было встречено волной возбуждения среди химиков, было предложено множество способов возможного применения фуллерена, многие из этих способов (например, идея о том, что он может быть удобным смазочным материалом, как крошечные шарикоподшипники) оказались совсем непрактичными, но он подает надежды как сверхпроводник, как возможный переносчик лекарств и компонент сканирующих туннельных микроскопов – присоединяемый к металлическому наконечнику для увеличения твердости. Трубки, тем временем, обладают необычайным пределом прочности и проводят электричество равномерно вдоль их полой середины, наводя на мысль об их применении в области наноэлектроники и в производстве сверхсильных, легких волокон и эластичных новых материалов. Без сомнения, о многих оригинальных применениях, как шаров, так и трубок все еще остается только мечтать.

Изотопы

Углерод существует в трех естественных изотопах – углерод-12, углерод-13 и углерод-14; числа имеют отношение к их атомным массам. Различные виды углерода обладают очень похожими (но не вполне идентичными) химическими и механическими свойствами; основное практическое значение существования различных изотопов происходит от того факта, что углерод-14 радиоактивен, с периодом полураспада в несколько тысяч лет. Это делает возможным датировку углерода – предполагается, что С-14 создан импульсами от космических лучей, при примерно той же интенсивности он исчезает через радиоактивный распад, поэтому соотношение изотопов в окружающей среде должно оставаться более или менее постоянным. Живые организмы постоянно обмениваются углеродом с окружающей средой вплоть до того дня, когда они умирают – поэтому если мы найдем череп с половиной С-14 от того, что мы наблюдаем в нашей окружающей среде, мы можем сделать вывод о том, что его владелец умер один полураспад С-14 назад, что-то около 5 600 лет. Эта техника в высшей степени полезна в археологии, однако тяжело понять, насколько она точна – предположение о том, что уровни С-14 в атмосфере остаются примерно постоянными – трудно проверить.

Круговорот углерода

Круговорот углерода играет решающую роль в ходе работы экосистемы Земли: растения поглощают углекислый газ, который составляет около 0.03% нашей атмосферы и используют энергию солнечного света, для того чтобы создать молекулы сахара из воды и CO2, процесс, известный как фотосинтез. Его детали еще не полностью поняты учеными, хотя работа быстро продолжается; есть надежда, что полное понимание фотосинтеза может однажды позволить нам создать более эффективные фотоэлементы, в числе прочих вещей. Когда растения поедаются животными, либо гниют от плесени или сгорают, накопленная энергия и углерод возвращаются в окружающую среду, и круговорот начинается снова.

Освобождение углерода в окружающую среду может не произойти сразу – например, когда лес погребен оползнем, который задерживает накопленный углерод под землей. Такое случалось достаточно часто в течение истории Земли, так создавались большие запасы ископаемого топлива в земной коре (уголь, нефть и газ), которые мы постоянно сжигаем, для того чтобы вырабатывать энергию.

Выбросы углерода

Начиная с эпохи промышленной революции, растущее использование человечеством топлива основанного на углероде, несколько разбалансировало круговорот углерода, что приводит к существенному, устойчивому росту уровней углекислого газа в атмосфере – примерно до 30% с начала прошлого столетья. Большинство ученых-экологов считают, что это явление, вместе с увеличением более активных парниковых газов, таких как метан, может привести к глобальному потеплению, если этот процесс уже не начался. Такая точка зрения существует потому, что подобно парнику, эти газы проницаемы для видимого света и для многих других длин волн, представленных в солнечном свете, но отражают инфракрасное излучение; поэтому энергия беспрепятственно приходит в больших количествах и нагревает землю, которая затем излучает ее как инфракрасное излучение в верхние слои атмосферы, где CO2 возвращает ее вниз на землю.

Относительно реальности и важности парникового эффекта остаются некоторые научные сомнения, однако, к сожалению, если это реальная проблема, то мы должны действовать сейчас, для того чтобы отвести ее худшие последствия. Эти последствия, очевидно, будут включать затопление низин по всему миру; перемещение основных поясов растительности на пару сотен миль от экватора; опасное сокращение разнообразия форм жизни, поскольку условия окружающей среды меняются быстрее, чем многие животные и растения могут приспособиться к ним; и замерзание Европы, поскольку Гольфстрим меняет свое направление, унося свои теплые течения в другие места.

Признавая нежелательность большинства этих последствий, около ста стран мира собрались вместе, для того чтобы прийти к согласию относительно Киотского протокола, международного механизма сокращения выбросов углерода. Будущее этого соглашения (которое, как считают большинство защитников окружающей среды, не заходит достаточно далеко, для того чтобы предотвратить большую часть повреждений) сомнительно, поскольку США - приводившие доводы в пользу и добивавшиеся уступок по протоколу, главным образом в пользу крупного капитала, а также продолжавшие подписывать, но не ратифицировать договор - теперь отказались от участия в протоколе полностью, выражая недовольство тем, что мы все еще не можем быть действительно уверенными в том, что бездействие приведет к экологической катастрофе, и что стоит потратить много денег, чтобы что-то сделать с этим, они также указывают на то, что протокол несправедлив, поскольку не предъявляет к более бедным странам мира те же требования, что и к ним. Вот главные страны, выбрасывающие углерод:

Периодическая таблица

Каждая глава романа Примо Леви «Периодическая система» посвящена какому-либо химическому элементу, иногда слабо, иногда не так слабо. В заключительной части он рассказывает историю об одном атоме углерода с гораздо большей поэтичностью и научной детализацией, чем я смог бы воспроизвести: как он пойман в ловушку неизменного ложе известняка на миллионы лет, до тех пор, пока не разрублен киркой и не доставлен к печи для обжига извести, где высокая температура освобождает его как молекулу углекислого газа; как его носит то вперед, то назад в его освобождении, поглощенный соколом, выдохнутый, растворенный, выброшенный из океанов и стремительных потоков, затем снова унесенный ветром до тех пор, пока не встретился с виноградной лозой, где был сформирован в молекулу сахара.

Затем его превращают в вино, выпивают, переваривают, выдыхают, он снова участвует в процессе фотосинтеза, его съедает гусеница, уничтожают бактерии разложения, и снова выдыхают, для того чтобы он облетел трижды вокруг земли перед выходом на покой в 1960 году. История совершенно произвольна и полностью верна; атомы углерода проходят эти виды маршрутов в таких невообразимо огромных количествах, что это просто не могло бы не быть так.