О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Механизм поступления в верхнюю мантию литофильных элементов

Теория Б.Г. Лутца.
Механизм основан на представлении о кислотном магматическом выщелачивании. В мантии содержится вода, но вместе с тем, в связи с сильно восстановительной обстановкой, там содержится и свободный водород, большая часть которого уходит в атмосферу. Наличие водорода ведет к кислотному режиму водных растворов и они поглощают щелочи из окружающей среды и ими обогащаются. Но, по мере подъема растворов водород окисляется и частично улетучивается. В результате кислотность растворов снижается и, проходя через верхние слои мантии, они начинают растворять кислотные компоненты, в первую очередь кремнезем, а также редкие земли и радиоактивные элементы. Теперь глубинные растворы приобретают тот состав (щелочи, кремнезем, РАЭ и РЗЭ), который необходим для процессов гранитизации и регионального метаморфизма. Результатом окисления, является также нагревание растворов. Результатом окисления является также нагревание растворов, что позволяет видеть в них не только необходимый для формирования гранито-гнейсового слоя материковой коры химический реагент, но и источник энергии для метаморфизма и гранитизации. Океаническая мания Тихий океан, не выделяет растворов обогащенных кремнием и щелочами. «Тот же механизм позволяет понять, почему базальтовый вулканизм в эвгеосинклиналях происходит не одновременно с гранитизацией и региональным метаморфизмом, а раньше последнего. Возможно, базальтовые магмы при выплавлении поглощают всю флюидную фазу, и поэтому ювенильные растворы, которые могли бы проводить региональный метаморфизм и гранитизацию не отделяются. Если предположить, что в следующий этап — в геосинклинально-инверсионную стадию — эмульсия базальтовых пленок застывает, то может произойти отделение ювенильных растворов, которые и поднимаются в кору. В этом объяснении намечается связь между геохимическими и геотектоническими процессами» [В.В. Белоусов, 1975].
Через десять лет было показано: О.А. Богатиков отмечает, что «в кислых породах имеются первичные дометаморфические цирконы, в то время, как породы основного состава содержат только метаморфические цирконы» (В.В. Белоусов1985).

Волна энергии и водород, уран способствовали формированию земной коры. Резервуары водорода в земной коре не зафиксированы.
Осадочные породы — производные магматических фомаций.
По Н.В. Виноградову, «вся верхняя мантия в настоящее время, в той или иной мере, деплетирована. С этим взаимодействием связана вся дальнейшая эволюция земного вещества. Геологические доказательства наращивания объёмов континентального материала во времени, должны, следовательно, рассматриваться и как доказательство комплементарно связанного с континентализацией процесса океанизации вещества сиалической коры. Оба процесса могут идти только при условии постоянно продолжающегося и циклически повторяющегося перемешивания вещества коры и мантии. Изотопные исследования дают непосредственные доказательства реальности процессов перемешивания вещества коры и мантии. Существуют, по-видимому, и иные механизмы такого перемешивания, кроме признаваемой ныне субдукции. Один из важнейших механизмов перемешивания связан, видимо, с глубинной конвективной циркуляцией поверхностных вод, с процессами преобразования вещественного состава пород под влиянием циркулирующих вод. Побочной ветвью такого взаимодействия является формирование рудоносных гидротермальных растворов. При этом очень важным в научном отношении оказывается следующее обстоятельство. Концентрирование рудных компонентов в гидротермальном растворе происходит за счёт их кларковых содержаний в породах».

[Устьянцев Валерий Николаевич]

«В условиях Земли аномально низки содержания двух элементов: H и He. Это связано с их «летучестью». Оба эти элемента – газы, и, к тому же, самые легкие. Поэтому атомарные водород и гелий имеют тенденцию перемещаться в верхние слои атмосферы, а оттуда, не удерживаясь земным тяготением, рассеиваются в космическом пространстве. Водород до сих пор не потерян полностью, так как большая его часть входит в состав химических соединений – воды, гидрооксидов, гидрокарбонатов, гидросиликатов, органических соединений и др. А гелий, являющийся инертным газом, постоянно образуется как продукт радиоактивного распада тяжелых атомов. Таким образом, земная кора по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами металлов, т.е. она состоит почти исключительно из кислородных соединений, преимущественно, из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа. При этом, как Вы уже знаете, в составе литосферы 86,5% приходится на чётные элементы» (данные Г. Оддо, Италия).

«Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра.
Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излученияя.
Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.
Такие условия могут сложиться в двух случаях:
      - Если атомные ядра (ионы, протоны или альфа-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своём пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосферы Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1917, опубликовано 1919, Э. Ререрфорд).
      - Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинематической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.
    • 235U – является первичным ядерным горючим; 233U, 239Pu – вторичным ядерным горючим. Процесс получения вторичного ядерного горючего чрезвычайно важен, т.к. позволяет увеличить сырьевую топливную базу ядерной энергетики.
Проявлена четкая генетическая связь между концентрацией урана в  углеводородах и запасами гелия в них. Концентрация урана в углеводородах и запасы гелия в них возрастают от квартера к палеопротерозою. Для формирования минералогических ассоциаций, этой системе требуется энергия, которую она получает от большей системы в которой она находится, это система Земли. Автоколебательная система Земли как стационарный энергетический центр, располагается в еще большей энергетической системе Солнца, система Солнца находится в одном из энергетических рукавов, галактики Млечный Путь. Все эти объекты космоса имеют ядерную область которая является источником энергии первого рода и иерархию генераторов волн энергии второго рода. «Самоорганизация неразрывно связана с волновыми процессами. В любых открытых, диссипативных и нелинейных системах неизбежно возникают автоколебательные процессы, поддерживаемые внешними источниками энергии, в результате которых протекает самоорганизация» (И.Р. Пригожин). То-есть, любые реальные системы следует рассматривать с позиций доказанной И.Р. Пригожиным (1947) теоремы термодинамики неравновесных процессов: «при внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния, стационарное состояние системы соответствует минимальному производству энтропии». В подошве нижней мантии (2900 км), в оболочке D11, происходят активные процессы физико-химических деформаций, которые сопровождаются выделением энергии. Исследования С.В. Старченко, позволяют установить причины и следствия структурно-вещественного преобразования системы Земли и концентрации минерального сырья под воздействием волны энергии мощностью 10 -13 Твт.
В мантии при высоких значениях температуры и давления есть химические элементы С H N S О U Нe, что доказывает наличие в пределах мантии процессов синтеза углеводородов. Система Земли, в ходе своего эволюционного геологического развития не разрушается, а подвергается процессам преобразования на атомарном уровне, при этом ее энергетический потенциал возрастает. На данный момент известны 7 обычных изотопов водорода, а также один экзотический атом водород-4.1 (мюоний, 4He-μ).
«D и 2H — стабильный изотоп с атомной массой, равной 2. Ядро - дейтрон состоит из одного протона и одного и одного. Плотность при 20 °C, г/см³ — 1.1056.
По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определенные особенности. Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжелой воды (вода  состава D2O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия).
Дейтерий обладает лучшими свойствами замедления нейтронов. В смеси с тритием или в соединении с литием-6 (гидрид лития 6LiD) применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах» (Кузьменко Н. Е., Ерёмин В. В., Попков В. А., 2007).
«В природе тритий образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов, например, азота. В процессе распада тритий превращается в 3He с испусканием электрона и антинейтрино (бета-распад), период полураспада — 12,32 года. Доступная энергия распада очень мала (18,59 кэВ), средняя энергия электронов 5,7 кэВ.
Водород – единственный элемент, изотопы которого имеют свои названия: протий, дейтерий, тритий.
Термин «легкая вода» в последнее время используется для обозначения воды, частично очищенной от тяжелых молекул воды, прежде всего молекул дейтериевой воды.
Протий («легкий водород») составляет 99,9% от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространенным нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов. Стабильный изотоп водорода.
Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноимённо положительно заряжены. Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и протий) весьма распространённого на Земле водорода. Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звёздах. На данный момент известны 7 обычных изотопов водорода, а также один экзотический атом водород-4.1 (мюоний, 4He-μ). Водород имеет три изотопа: Н1 — протий, Н2 — дейтерий (В2) и Н3 — тритий (Т). Тритий радиоактивен.. Период полураспада Н3 всего 12,46 лет, поэтому он весьма недолгове­чен. При радиоактивном разложении трития излучаются отрица­тельные р-частицы и образуется стабильный изотоп гелия Не. Во ВНИГНИ определялось содержание дейтерия в нефтях с по­мощью денсиметрического метода, который заключается в сопоста­влении плотности «под сожжения» нефтей с плотностью стандартной воды. Изучены нефти из различных месторождений Советского Союза, где продуктивными отложениями служат породы различ­ного возраста от неогена до кембрия включительно.
D + D --- 4 He + гамма-излучение. Дейтерий обладает лучшими свойствами замедления нейтронов.
Реакция: протий (стабильный изотоп водорода) + дейтерий (стабильный изотоп водорода) --- гелий-4, нейтрино, гамма-квант.
«Реакции синтеза между ядрами лёгких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у урана-238. Альфа-радиоактивные ядра - теллур и массового числа около 106—110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада. Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория. К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух протонов, а также испускание кластеров – лёгких ядер от углерода 12С до серы 32S. Во всех видах радиоактивности, кроме γ‑распада, изменяется состав ядра – число протонов Z , массовое число А или и то и другое. Альфа-распад из высоковозбуждённых состояний ядра наблюдается и у ряда лёгких нуклидов, например у лития-7. Среди лёгких нуклидов альфа-распад из основного состояния испытывают гелий-5 (распадается в α + n), литий-5 (α + p), бериллий-6 (α + 2p, бериллий-8 (2α) и бор-9 (2α + p). Альфа-частица испытывает тунельный переход через потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциаль, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера - Нэттола. При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия, в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован. Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима144Nd) до 23 700 км/с у изотопа полония212mPo. Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.
Кла́стер (англ. cluster — скопление, кисть, рой) — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами.
« Радиоактивный распад
   Радиоактивный распад возможен тогда, когда он сопровождается выделением энергии. Масса М исходного ядра должна превосходить сумму масс  продуктов распада М > ∑i mi. Это условие является необходимым, но не всегда достаточным. Распад может быть запрещен другими законами сохранения − сохранения момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и т. д. Радиоактивный распад характеризуется временем жизни радиоактивного изотопа, типом испускаемых частиц, их энергиями, а при вылете из ядра нескольких частиц еще и относительными углами между направлениями вылета частиц.
Основные виды радиоактивного распада:
      - α-распад – испускание ядрами α-частиц,
      - β-распад – испускание (или поглощение) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино,
      - γ-распад – испускание γ-квантов,
      - спонтанное деление – распад ядра на два осколка сравнимой массы.
 Альфа-распад
 

«Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивность за редким исключением (например 8Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов, кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z2 ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A» (С.Г. Кадмиксий).   Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергии:
(A,Z) → (A-4, Z-2) + 4He.
    Характерные особенности α‑распада:а)  α-распад происходит на тяжелых ядрах с Z > 60.б) Периоды полураспада известных α-радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфрама 182W имеет период полураспада T1/2 > 8.3·1018 лет, а изотоп протактиния 219Pa – T1/2 = 5.3·10-8 c.
   Энергия a-распада
Qα = [M(A,Z) – M(A-4, Z-2) – mα]c2.

    Так как mα << М, основная часть энергии α-распада уносится α-частицей и лишь ≈ 2% - конечным ядром. Тонкая структура α‑спектров связана с образованием конечного ядра не только в основном, но и в возбуждённых состояниях, т.е. α-спектры несут информацию об уровнях ядер.
Согласно теории Гамова, основным фактором, влияющим на время жизни a-активного ядра, является вероятность прохождения α-частицы через потенциальный барьер.
Пусть: внутри ядра радиуса R существует α-частица массы mα. :


где μ = mαMядр/(mα + Mядр) ≈ mα  − приведенная масса системы.

Потенциальный барьер α-распада.
    Высота центробежного барьера , как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера, однако эта добавка может существенно влиять на вероятность распада. Установленная зависимость позволила объяснить эмпирический закон Гейгера-Неттола, связывающий период полураспада T1/2 и кинетическую энергию α-частицы Tα:
lg T1/2 = a + bZTα1/2.

Энергии частиц в распадах
   Получим расчетные формулы для энергий частиц, образующихся в результате  α-, β- и γ- распадов. Альфа-распад представляет собой двухчастичный распад C(A,Z) → 4He + B(A-4, Z-2), где A и Z − массовое число и заряд ядра C. Известно, что энергия α-распада Q = (mC − (mα + mB)c2 составляет несколько МэВ, что много меньше масс продуктов распада. Тогда, используя соотношение mC ≈ mα + mB, получим для кинетической энергии α-частицы:


и для энергии отдачи дочернего ядра:


    Бета-распад представляет собой трехчастичный распад:
β--распад:  C(A,Z) → B(A, Z+1) + e- + e
β+-распад: C(A,Z) → B(A, Z-1) + e+ + νe
    Максимальная отдача дочернего ядра соответствует случаю, когда импульсы электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино) сонаправлены:



 и энергия антинейтрино (нейтрино) Eν ≈ 0, тогда:



Так как << Q, Q ≈ Te + Eν и максимальные энергия электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино)ффф:
≈≈ Q.
    Таким образом, приближенно значение максимальной энергии нейтрино совпадает с верхней границей спектра β-распада и спектр нейтрино зеркально симметричен спектру электронов:
Nν(E) = Ne(Q − E).
    Третий случай β-распада, e-захват C(A,Z) + e- → B(A, Z-1) + νe, поскольку Te << me, фактически соответствует двухчастичному распаду системы с массой mС + me  Спектр продуктов распада носит дискретный характер, энергия отдачи дочернего ядра:
TB = Q2/(2mCc2) 
и энергия нейтрино:


Спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β--распаде изотопа 40K,
40K → 40Ca + e- + e.
    Считалось даже, что в β-распаде не выполняется закон сохранения энергии. Объяснение непрерывного характера β-спектра было дано В. Паули, который высказал гипотезу, что при β-распаде вместе с электроном рождается ещё одна частица с маленькой массой, т.е. β-распад − трехчастичный процесс. В конечном состоянии образуется ядро (A,Z±1), электрон и лёгкая нейтральная частица – нейтрино (антинейтрино). Т.к. масса ядра (A,Z±1) гораздо больше масс электрона и нейтрино, энергия β-распада уносится лёгкими частицами. Распределение энергии β-распада Qβ между электроном и этой нейтральной частицей приводит к непрерывному β-спектру электрона.
    Из закона сохранения энергии следует, что спектр антинейтрино зеркально симметричен спектру электронов.
Nν(E) = Ne(Qβ – E),
где Nν(E) − число антинейтрино с энергией Е, Ne(Qβ – E) − число электронов с энергией (Qβ – E), Qβ − энергия β-распада, равная суммарной энергии, уносимой электроном и антинейтрино (энергия ядра отдачи 40Ca не учитывается). Наряду с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения в процессе β-распада выполняются законы сохранения барионного B и электронного лептонного Le квантовых чисел.
      - Электроны, нейтрино имеют B = 0, Le = +1.
      - Позитроны, антинейтрино имеют B = 0, Le = −1. 
      - Каждый нуклон, входящий в состав ядра, имеет B = +1, Le = 0.
    Поэтому появление электрона при β--распаде всегда сопровождается образованием антинейтрино. При β+-распаде образуются позитрон и нейтрино. При е-захвате из ядра вылетают нейтрино. Так как е-захват – двухчастичный процесс, спектры нейтрино и ядра отдачи являются дискретными. Наблюдение дискретного спектра ядер отдачи, образующихся при е-захвате, было первым подтверждением правильности гипотезы Паули.
    β-радиоактивные ядра имеются во всей области значений массового числа A, начиная от единицы (свободный нейтрон) и кончая массовыми числами самых тяжелых ядер.
    За счет того, что интенсивность слабых взаимодействий, ответственных за β-распад, на много порядков меньше ядерных, периоды полураспада β-радиоактивных ядер в среднем имеют порядок минут и часов. Для того чтобы выполнялись законы сохранения энергии и углового момента при распаде нуклона внутри ядра, оно должно перестраиваться. Поэтому период, а также другие характеристики β-распада в сильной степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды β-распада варьируются почти в столь же широких пределах, как и периоды α-распада. Они лежат в интервале T1/2(β) = 10-6 с – 1017 лет.
    Гамма-распад представляет собой процесс излучения γ-квантов ядром, находящимся в возбужденном состоянии. Энергия  γ-перехода:
Q = mi − mf  = mя + Ei − (mя + Ef) = Ei − Ef,
где mi, mf, Ei, Ef − массы и энергии возбуждения начального и конечного состояний ядра
(mi,f,с2 >>Ei,f). Энергия ядра отдачи:
Tя = Q2/(2mяc2),
энергия γ-квант:0

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Eγ ≈ Q. 


«Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноимённо положительно заряжены. Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространённого на Земле водорода.
Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза.
Реакции синтеза между ядрами лёгких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.
Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у урана-238. Альфа-радиоактивные ядра - теллур и массового числа около 106—110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада.
Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория.
 К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух протонов, а также испускание кластеров – лёгких ядер от углерода 12С до серы 32S.
Во всех видах радиоактивности, кроме γ‑распада, изменяется состав ядра – число протонов Z , массовое число А или и то и другое.

На Земле гелий образуется в результате альфа-распада тяжёлых и легких элементов альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде, — это ядра гелия-4. Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается метаном, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.
Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звёздах» (Климов А. Н.).Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория.
 К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух протонов, а также испускание кластеров – лёгких ядер от углерода 12С до серы 32S.
Во всех видах радиоактивности, кроме γ‑распада, изменяется состав ядра – число протонов Z , массовое число А или и то и другое.

На Земле гелий образуется в результате альфа-распада тяжёлых и легких элементов альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде, — это ядра гелия-4. Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается метаном, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.
Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звёздах» (Климов А. Н.)..

Радиоактивные семейства

   «Практически все тяжелые ядра Z > 83 имеют положительную энергию относительно α-распада, т.к. масса исходного ядра (A,Z) оказывается больше суммы масс α-частицы и образующегося в результате α-распада ядра (A-4,Z-2). Поэтому возможны цепочки последовательных α-распадов ядер.    Наиболее тяжелые из встречающихся на Земле долгоживущих радиоактивных изотопов – это изотопы 235U, 238U и 232Th. Распадаясь эти изотопы образуют дочерние изотопы, которые также являются радиоактивными и распадаются в результате α- и β-распада пока не образуются стабильные изотопы 206Pb, 207Pb и  208Pb. Возможны 4 цепочки последовательных α-распадов, образующих 4 радиоактивных семейства с массовыми числами A,  равными соответственно 4n, 4n+1, 4n+2 и 4n+3, где n − целое число. Изотопы, образующиеся в результате радиоактивного распада 235U, 238U и 232Th, образуют 3 радиоактивные семейства. Массовые числа изотопов, входящих в каждое семейство, описываются соотношением 4n+C.
Семейство
Наиболее
долгоживущий
изотоп семейства
Период полураспада
T1/2
Конечный продукт
 распада семейства
A = 4n

1.4·1010 лет

A = 4n+1

2.2·106 лет

A = 4n+2

4.5·109 лет

A = 4n+3

7·108 лет

   
Так как родоначальником семейства 4n+1 является изотоп 237Np, период полураспада которого гораздо меньше времени существования Земли (5·109 лет), то практически оно полностью распалось. Семейство 4n+1 удалось обнаружить после того, как были открыты трансурановые элементы, распад которых приводил к образованию 237Np.    При распаде изотопов, входящих в состав радиоактивных семейств, основными каналами распада являются α-распад и β--распад.
Однако наряду с этим в ряде случаев наблюдаются распады с испусканием более тяжелых фрагментов − изотопов 14C, 24,26Ne, 28Mg. Эти распады называются кластерной радиоактивностью. Вероятность кластерного распада как правило, составляет 10-12–10-10 % от вероятности α-распада.


Поле, в котором движется α-частица, вылетающая из ядра, имеет характерную форму барьера. Вплоть до поверхности ядра. Ядерные силы притяжения удерживают α-частицу в ядре. На расстояниях больше радиуса атомного ядра – это кулоновские силы отталкивания. Поэтому по мере удаления α‑частицы от центра ядра её потенциальная энергия вначале растёт, достигая максимума, а затем падает до нуля на бесконечности.
    Можно выделить три области.
    1. r < R − сферическая потенциальная яма глубиной V0. В классической механике альфа-частица с кинетической энергией Eα + V0 может двигаться в этой области, но не способна ее покинуть. В этой области существенно сильное взаимодействие между альфа-частицей и остаточным ядром.
    2. R < r < Re  − область потенциального барьера, в которой потенциальная энергия больше энергии альфа-частицы, т.е. это область запрещенная для классической частицы.
    3. r > Re − область вне потенциального барьера. В квантовой механике возможно прохождение альфа-частицы сквозь потенциальный барьер.
   Кулоновский потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу конечного ядра. Высота кулоновского барьера Bk определяется соотношением:
.
Z и z − заряды (в единицах заряда электрона e) конечного ядра и α‑частицы соответственно. Например, для 238U Bk ≈ 30 МэВ. (мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 млн электронвольт, гигаэлектронвольт, (ГэВ) — 1 млрд электронвольт, тераэлектронвольт (ТэВ) — 1 трлн электронвольт).
Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 109 К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:
Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (так называемый «хвост максвелловского распределения. Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него» (Яворский, Детлаф А.А., Лебедев А.К., Климов А.Н., 1985, Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А., 1982).
 СNO-цикл Солнце

Основной источник энергии – протон-протонный цикл. Это очень медленная реакция (характерное время протекания – 7,9∙109 лет), так как она обусловлена слабым взаимодействием. Суть реакции состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. Наиболее распространенными элементами тяжелее водорода и гелия, в порядке убывания содержания, являются кислород, углерод, неон, азот, железо, магний, кремний, сера, аргон, алюминий, никель, натрий и кальций. На 1 млн атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 атом кислорода, 398 атомов углерода, 123 атома неона, 100 атомов азота, 47 атомов железа, 38 атомов магния, 35 атомов кремния, 16 атомов серы, 4 атома аргона, 3 атома алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, а также малое количество прочих элементов. Атмосфера. Температура в фотосфере Солнца равна почти 5505 тысячи градусов Цельсия. Здесь солнечная радиация становится видимым светом. Солнечные пятна на фотосфере холоднее и темнее, чем в окружающей области. В центре больших солнечных пятен температура может опускаться до нескольких тысяч градусов Цельсия. Хромосфера, следующий слой солнечной атмосферы, немного холоднее — 4320 градусов. Разница температур поверхности Солнца и ядра Земли указывает на то, что в области ядра Земли происходит ядерная реакция, в результате которой образуется гелий и возникает волна энергии. Под воздействием волн энергии происходит структурно-вещественное преобразование системы Земли.
Согласно Национальной солнечной обсерватории, хромосфера буквально означает «цветная сфера». Видимый свет от хромосферы обычно слишком слаб, чтобы быть видным на фоне более яркой фотосферы, но во время полных солнечных затмений, когда луна покрывает фотосферу, хромосфера видна как красный ободок вокруг Солнца. Температура значительно повышается в короне, которая также может быть видна во время затмения, когда плазма притекает наверх. Корона может быть удивительно горячей по сравнению с телом солнца. Температура здесь варьируется от 1 млн градусов до 10 млн градусов Цельсия. Когда корона остывает, теряя тепло и радиацию, вещество выдувается в виде солнечного ветра, который иногда пересекается с Землей.

При помощи спектрального анализа исследователи выяснили, каких веществ точно нет на поверхности этой звезды. Например, хлора, ртути и бора. Однако ученые предполагают, что эти вещества, помимо основных химических элементов, входящих в состав Солнца, могут находиться в его ядре. Практически на 42% наша звезда состоит из водорода. Примерно 23% приходится на все металлы, которые есть в составе Солнца. Как и большинство параметров других небесных тел, характеристики нашей звезды рассчитываются лишь теоретически при помощи вычислительной техники. В качестве исходных данных служат такие показатели, как радиус звезды, масса и ее температура. В настоящее время ученые определили, что химический состав Солнца представлен 69 элементами. Большую роль в этих исследованиях играет спектральный анализ. Например, благодаря ему был установлен состав атмосферы нашей звезды. Также была обнаружена интересная закономерность: набор химических элементов в составе Солнца удивительно похож на состав каменных метеоритов. Этот факт – важное свидетельство в пользу того, что эти небесные тела имеют общее происхождение» (википедия). .
Впервые зафиксированы нейтрино вторичного термоядерного цикла Солнца.  Ученые из международной коллаборации Borexino объявили о первом наблюдении нейтрино из реакций углеродно-азотного цикла в Солнце. Это экспериментально подтверждает теоретические представления о вторичном цикле термоядерного синтеза в массивных звездах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Звезды питаются энергией термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих в их недрах. Такой синтез возможен двумя путями: в протон-протонной (pp) цепи, включающей только изотопы водорода и гелия, и в ходе вторичного цикла, который еще называют углеродно-азотным, или CNO-циклом по символам углерода, азота и кислорода — элементов, выступающих катализаторами реакций. Ядерные реакции как первичного, так и вторичного цикла сопровождается испусканием характерных нейтрино. Протон-протонные цепи производят около 99 процентов энергии Солнца и сходных с ним по размерам звезд, поэтому ранее ученым удавалось наблюдать только нейтрино из рр-цикла. Но считается, что у тяжелых звезд, с массой в полтора раза и более массивнее Солнца, преобладает углеродно-азотный цикл, и важно было экспериментально доказать его существование. Из-за чрезвычайно малой вероятности взаимодействия с обычным веществом нейтрино легко проходят сквозь толщу Солнца, сохраняя информацию о ядерных процессах в глубинах звезды и условиях их протекания. Зафиксировать среди солнечных нейтрино те, которые относятся к вторичному циклу было очень сложной задачей, так как их сигнал не намного превышал фоновый. Но ученым коллаборации Borexino это удалось. "До недавнего времени оставался открытым вопрос, удастся ли зарегистрировать нейтрино из CNO-цикла. Регистрацию CNO-нейтрино, помимо малости самого потока, осложняет присутствие спектральной компоненты природного фона, неотличимой от их спектра", — приводятся в пресс-релизе Оъединенного института ядерных исследований в Дубне слова одного из участников эксперимента, старшего научного сотрудника Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова ОИЯИ Олега Смирнова. Свойство беспрепятственно проникать сквозь вещество позволяет нейтрино сохранять информацию о внутренних процессах в Солнце, но это же свойство делает их неуловимыми для обычных детекторов частиц. Поэтому для регистрации нейтрино используют специальные детекторы очень большой массы с тщательным контролем всех процессов, которые могут отражать взаимодействия нейтрино с электронами. В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействует с электроном, он передает ему часть своей энергии. Этот процесс напоминает упругое столкновение бильярдных шаров. Электрон, получив некоторую начальную скорость, постепенно теряет ее в ходе взаимодействия с молекулами среды. Часть энергии при этом излучается в виде фотонов. Таким образом, взаимодействие нейтрино с электроном приводит к вспышке света, и несколько тысяч фотонов разлетаются от точки взаимодействия во все стороны. Эти фотоны регистрируют тысячи детекторов света, а специальные приборы — фотоэлектронные умножители — позволяют оценить энергию, переданную электрону, а также определить точку, где произошло взаимодействие. В сверхчувствительном детекторе Borexino, расположенном в самой большой подземной лаборатории в мире в Гран-Сассо в Центральной Италии, в качестве активной среды для регистрации нейтрино используется около 100 тонн жидкого сцинтиллятора. "Несмотря на огромное количество солнечных нейтрино, проходящих через детектор (более секстиллиона за день) только полсотни нейтрино оставляют заметный "след" в детекторе за это же время. Ученые, работающие над анализом данных, смогли выделить сигнал, который можно объяснить только присутствием нейтрино из CNO-цикла. Таким образом доказано протекание ядерных реакций CNO-цикла в Солнце. Полный поток нейтрино из CNO-цикла составляет около одного процента от полного потока солнечных нейтрино", — поясняет Олег Смирнов. Открытие имеет первостепенное значение для астрофизики, так как в звездах более массивных, чем Солнце, энергия выделяется в основном за счет углеродно-азотного цикла. Его механизм теперь экспериментально подтвержден.
Ядро Солнца — гигантский термоядерный реактор. В процессе ядерных трансформаций при температуре около 15 миллионов градусов протоны сливаются друг с другом и образуют гелий. Гелий нарабатывается в двух многостадийных процессах: в протон-протонной (pp) цепочке и в углеродно-азотном (CNO) цикле. Часть ядерных реакций сопровождается испусканием нейтрино. Из-за чрезвычайно малой вероятности взаимодействия с обычным веществом нейтрино легко проходят сквозь толщу Солнца, сохраняя информацию как о ядерных процессах в глубинах Солнца, так и об условиях их протекания. Хотя поток солнечных нейтрино огромен и исчисляется миллиардами частиц на квадратный сантиметр в секунду, регистрация неуловимых нейтрино представляет собой чрезвычайно сложную экспериментальную задачу». Доказательство прохождения реакций углеродно-азотного цикла в Солнце является важным научным достижением, шагом на пути к разрешению загадки его химического состава. Поскольку поток нейтрино, генерируемый в CNO-цикл, напрямую связан с концентрацией элементов C, N и O, участвующих в реакциях, то измерение потоков этих нейтрино напрямую связано с химическим составом Солнца.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Таблица плотности планет Солнечной системы
Планета
Плотность, кг/м3
Меркурий
5430
Венера
5240
Земля
5515
Марс
3940
Юпитер
1330
Сатурн
700
Уран
1300
Нептун
1760
Плутон
2000
Луна (спутник Земли)
3346



CNO-цикл на Солнце

Источник: Newsru.com, Елена Денисова
Гелий-3, по мнению ученых, - самый перспективный источник энергии, его запасы в верхних слоях поверхности Луны достигают около 500 млн тонн, что может полностью обеспечить земную энергетику на срок более 1000 лет. На Земле же этот изотоп практически отсутствует, в недрах планеты его не более нескольких сотен килограммов.

Сапропель.
Биологическое действие сапропелей

«Природные геоорганические образования (лечебные грязи, экстракты торфа, сапропеля, озекериты, шунгиты) как источники ценных биологически активных веществ обладают комплексным фармакологическим спектром воздействия. В практической медицине биологическая активность рассматривается как интегральное понятие, включающее ряд таких критериев, как ферментативная активность пелоида, напряженность микробиологических процессов, антимикробные свойства в отношении ряда условно-патогенных и патогенных для человека микробов, наличие фармакодинамических компонентов и др.
Сложные биохимические процессы, протекающие при генезисе сапропеля, обуславливают большое разнообразие химического состава его органической массы (ОМ). В составе ОМ сапропелей определены: битумы, водорастворимые, легкогидролизуемые и гуминовые вещества, целлюлоза, лигнин, липиды, ароматические эфиры, каротиноиды, ксантофиллы, спирты, кислоты, стерины, производные хлорофилла, фосфолипиды, аминокислоты, сахара, углеводороды, металлопорфирины, фенолы, широкий набор витаминов. Состав углеводно-уранового комплекса представлен гексозами (глюкоза, галактоза, манноза), пентозами (арабиноза, ксилоза) и уроновыми кислотами. В гидролизатах сапропелей идентифицированы аминокислоты, среди которых доминируют аспарагиновая и глутаминовая, глицин, пролин, L-α-аланин, гистидин, лизин, аргинин. Особенностью гуминовых веществ (ГВ) является их обогащенность аминокислотами, полипептидами, каротиноидами, стеринами, витаминами, металлопорфиринами, флавоноидами, терпенами, фенолами, гетероциклическими соединениями, алкалоидами. Данный спектр соединений определяет высокую биологическую активность как сапропеля в целом, так и различных препаратов на его основе, что определило области их использования. Разработаны и экспериментально апробированы методики исследования лечебных грязей и выделяемых из них соединений, позволившие установить ряд значимых свойств: безвредность, противовоспалительную, вирусоингибирующую, антимикробную, антибактериальную и антигрибковую активность. Например, присутствие в сапропелях физиологически активных микроэлементов: Cu, Mn, As, Zn, B, J и др., – активной грязеобразующей микрофлоры с преобладанием микроорганизмов, перерабатывающих безазотистые и азотсодержащие органические соединения, обуславливают их антимикробные свойства по отношению к тест-культурам белого и золотистого стафилококков. Активным началом являются выделенные из сапропеля микробы-антагонисты: спорообразующие формы, плесневые грибы и актиномицеты.
Для сапропелей, содержащих микрофлору, участвующую в переработке азотистых соединений: нитрифицирующие, аммонифицирующие, денитрифицирующие группы, а также микобактерии, плесневые грибы, - выявлена ферментативная активность по каталазе, пероксидазе, дегидрогеназе.
Выявлено, что сапропели, обогащенные водорастворимыми витаминами, обладают выраженными антимикробными свойствами по отношению к золотистому стафилококку.
Установлена связь биологической активности пелоидов с их антиокислительными свойствами, большая роль в формировании которой отводится жирорастворимым антиоксидантам фенольной природы – токоферолам, проявляющим способность связывать активные свободные радикалы. Исследовано 20 образцов данных отложений Сибири на содержание водо- и жирорастворимых витаминов (С, РР, В1, В2, В6 и токоферола), а также ГВ и битумной фракции. Выявлены антимикробные свойства пелоидов в отношении E.coli, C.perfringens, St.aureus и Ps.aeruginosa.
Л. Марченко и Е. Гуринович в микрофлоре белорусских сапропелей обнаружили большое число бактерий и актиномицетов, обладающих антибактериальными свойствами как к патогенным, так и к условно-патогенным микроорганизмам. Выявлены антагонисты среди бактерий и актиномицетов по отношению к золотистому и белому стафилококкам, тифозной палочке и паратифозной палочке В, к патогенным грибам человека (Achovion Schorleini, Achovion gypseum и др.), к микрофлоре гинекологических больных.
Доказано, что сапропелевые грязи оказывают положительное влияние на периферическую нервную, эндокринную, сердечно-сосудистую, пищеварительную системы, улучшают состояние опорно-двигательного аппарата, стимулируют метаболические процессы в печени людей, излечивают кожные и гинекологические заболевания; способствуют быстрому прекращению воспалительных процессов и хорошему излечению экзем, дерматитов, ожогов, что обусловлено наличием в сапропеле антибиотиков и отсутствием патогенных микроорганизмов.
Н. Самутин доказал, что сапропель является эффективным противовоспалительным средством пролонгированного действия при хронической воспалительной патологии суставов. При применении аппликаций восстанавливаются масса иммунокомпетентных органов (тимус, селезенка), клеточность тимуса и продукция антителообразующих клеток в селезенке, показатели фагоцитоза нейтрофилами, улучшается элиминация циркулирующих иммунных комплексов.
Комбинированное действие сапропелей и магнитотерапии эффективно при лечении шейного остеохондроза позвоночника с неврологическими проявлениями.
Экспериментальные исследования восстановительных процессов при повреждении паренхимы печени, проведенное на крысах линии Вистар обоего пола с вызванным токсическим гематитом, свидетельствуют о том, что курс магнитопелоидтерапии по сравнению с пелоидотерапией и магнитотерапией более эффективно нормализовал состояние печени у крыс с токсическим гепатитом. По мнению авторов, механизм ускорения развития репаративных процессов под влиянием магнитопелоидотерапии можно объяснить изменением биологических свойств сапропеля под влиянием применяемого постоянного магнитного поля (ПМП), неоднородность которого является фактором, повышающим эффективность процесса омагничивания. Неоднородное ПМП, одновременно воздействуя на сапропель и организм животного, вероятно, осуществляет пространственно-временную переорганизацию метаболических процессов как в тканях животного, так и в самом сапропеле.
Разработаны методы лечения людей, страдающих остеоартрозом, с использованием сапропелей оз. Боровое (Красноярский край). Важную роль в формировании биологической активности данного сапропеля играют: гуминовые и фульвокислоты, липиды, ферменты типа пероксидазы, полифенолоксидазы, дегидрогеназы, каталазы; витаминный комплекс (аскорбиновая кислота, витамины В, РР и др.). Липиды, являющиеся продуктами жизнедеятельности синезеленых водорослей, проявляют бактериостатическую и бактерицидную активность, оказывают противовоспалительное, обезболивающее, иммуномодулирующее действие, положительное влияние на гемодинамику суставов, тонус вегетативной нервной системы.
Экстракт высокополярных сульфидных иловых грязей, содержащий фосфолипиды, каротины, ксантофиллы, хлорофилл и его производные, стерины, миксоксантофиллы, высокомолекулярные кислоты в случае его применения в сочетании с ультрафонорезом при лечении острого воспаления придатков матки на фоне антибактериальной терапии уменьшает выраженность гемодинамических нарушений; экссудативных процессов, предупреждает разрастание соединительнотканевой остромы, уменьшает выраженность вызываемых воспалительным процессом массивных явлений атрезии фолликулов в яичниках, стимулирует их рост и образование желтых тел.
О. Тихоновская и Л. Шустов заключили, что применение масляного раствора экстракта высокомолекулярных сульфидных иловых грязей на фоне медикаментозной терапии с ультрафонорезом приводит к более быстрому выздоровлению женщин с гинекологическими заболеваниями, сохранению и восстановлению репродуктивной функции.
Предлагаемый механизм лечебного действия заключается в активном участии фосфолипидов, каротинов, ксантофиллов, высокомолекулярных кислот в функционировании прооксидантных и антиоксидантных систем, а также в контроле клеточных процессов. Гуминовые вещества, присутствующие в сапропелях, стимулируют биологические процессы в организме животного, обладают антимикробным и антисептическим действием [10,. Низкомолекулярная фракция ГК, включающая органоминеральные формы, проникает через кожу и транспортирует к органам различные физиологически активные вещества [8]. Использование ГК для лечения полиартрита доказало, что ГК сапропелей обладают кортизоноподобным действием, вызывают непосредственные ферментативные реакции как в стенках капилляров, так и в клетках эпителия, адсорбирующих цитохромоксидазу, щелочную фосфатазу, АТФ, тормозят действие гиалуронидазы, входящей в состав соединительной ткани, и таким образом купируют воспалительные процессы.
Применение ГК при нейродермитах объясняется склонностью ГК к хелатообразованию с ионами тяжелых металлов, радионуклидов, токсинов и подавлению отрицательного воздействия последних на организм, что способствует увеличению объемного кожного и мышечного кровотока, уменьшает застойные явления.
Анализ приведенного выше материала указывает на актуальность выполнения исследований по изучению вещественного состава сапропелей различных регионов РФ, выявлению особенностей структурной организации соединений органического вещества сапропелей, их качественного и количественного соотношения; проведения биологического тестирования сапропелей в целом, а также различных препаратов, полученных на их основе. Важным является выявление генетической связи состава и биологической активности сапропелей с исходным растительным и животным материалом, обеспечившим формирование сапропелевой залежи, установление основных направлений биохимической трансформации исходного биоматериала.
Целью настоящего исследования является изучение особенностей химического состава и биологической активности сапропеля оз. Лебяжье (Татарстан).
Материалы, методы и результаты исследования

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Технический анализ сапропеля
Влажность (Wd) – 3,7 [масс. % на воздушно-сухой сапропель]; зольность (АС) – 70,5; содержание органического вещества – 25,8 [масс. % на воздушно-сухой сапропель], элементный состав (масс. % daf): С 54,4; Н 7,0; N 3,9; O + S 34,7; H/C(am) = 1,544, степень окисленности (CО) = –0,587.
Эмиссионным спектральным, рентгено-флуоресцентным и атомно-абсорбционным анализами в составе минеральной части обнаружены: Al, Si, Ni, Mg, Sr, Na, K, Be, Co, Mo, Ag, Cr, Ti, V, W, Pt, Pb, Cu, Au, Nd, Ce, Ge, Ga.
Согласно данным рентгенофазового анализа основу минералогического состава минеральной части сапропеля составляют каолинит, галлуазит, кремнезем, оксид Fe (III), оксид Ti (IV); СаО Al2O3×2SiO2.
2. Химический групповой состав органического вещества (ОВ) сапропеля
Водорастворимые вещества (ВРВ) – 0,3; битумы (Б) – 3,3; легкогидролизуемые вещества (ЛГВ) – 3,0; уроновые кислоты (УК) – 1,6; фульвокислоты и гуминовые кислоты (ФК, ГК) – 0,6 и 12,5, соответственно, целлюлоза (Ц) – 1,0; негидролизуемый остаток (НГО) – 3,5 (масс. % ОВС).
2.1. Качественный и количественный состав ФК
Препаративной тонкослойной хроматографией (ТСХ) со свидетелями в составе ФК были качественно идентифицированы аминокислота, сахара и водорастворимые карбоновые кислоты и количественно определено их содержание.
2.1.1. Химический состав аминокислот (мг/кг сапропеля)
L-a-аланин (0,12), лейцин (48,08), фенилаланин (16,55), валин (15,58), глицин (0,15), аспарагин (5,05), лизин (6,09), гистидин (10,11), аспарагиновая кислота (15,56), тирозин (12,01), цистеин (10,06), триптофин (0,52), глутамин (0,73), серин (0,14), изолейцин (0,10), глутаминовая кислота (63,60), треонин (47,59). Сумма аминокислот – 257,05 мг/кг сапропеля.
2.1.2. Химический состав сахаров (мг/кг сапропеля)
Арабиноза (10,04), Д-галактоза (100,55), Д-глюкоза (57,60), L-рамноза (22,04), лактоза (3,56), мальтоза (15,08), раффиноза (0,15). Сумма сахаров – 209,02 (мг/кг сапропеля).
2.1.3. Химический состав водорастворимых карбоновых кислот (мг/кг сапропеля)
Щавелевая (42,56), янтарная (30,01), адипиновая (1,09), пимелиновая (2,56), винная (0,15), яблочная (1,57), салициловая (10,54), о-фталевая (0,13), галловая (0,54), феруловая (0,57), ванилиновая (0,19), сиреневая (0,11), терефталевая (0,14), бензойная (0,11), малоновая (4,08), метилянтарная (8,91).
Сумма водорастворимых карбоновых кислот – 103,26 (мг/кг сапропеля).
3. Химический состав ГК
Выход ГК – 12,5 (масс. % ОМС); зольность (АС) – 8,9; влажность (Wd) – 10,0; содержание органического вещества – 81,1 (масс. % от воздушно-сухого сапропеля).
Элементный (масс. % daf): С 67,1; Н 7,1; N 6,3; O + S 19,5; функциональный состав (мг-экв/г): фенольные (ФГ) – 11,5; хиноидные (ХГ) – 8,43; карбоксильные (КрГ) – 4,2, кетонные группы (КГ) – 0,75, йодное число (ИЧ) – 1,87.
Молекулярная масса – 1548,6; H/C(am) = 1,270; СО = –0,834; молекулярная гипотетическая формула С86,62Н109,97N6,97O + S18,87.
В ИК-Фурье спектре ГК были идентифицированы полосы поглощения (п.п) следующих структурных фрагментов (n, см-1):
– слабой интенсивности п.п. СН-, СН2-, СН3-групп алканов и циклоалканов (2952,7, 2923,8, 2854,4, 1421,3, 1378,9, 1226,5, 772,2); присутствие циклоалканов подтверждается совокупностью п.п. (3389–3337, 3350, 2953, 2855, 1421, 1454, 1379, 721, 758, 772); крайне слабая интенсивность п.п. (721) указывает на низкое содержание алканов (СН2)n при n > 4, а п.п. (1379) – СН3-группы в основном связаны с ароматическими фрагментами;
– интенсивные п.п. ароматических циклов (1600/1500, 1514, 1541, 1558, 3096, 3080, 3063, 3045, 3011), а также серия п.п. в областях (900–650 и 1200–900); интенсивность п.п. (1514) меньше, чем (1636), следовательно, в составе ГК велика доля конденсированных ароматических колец; которые в основном монозамещенные (1600, 1558, 1514, 698, 758);
– ОН-группы фенолов и спиртов (3427, 3389, 3366, 3351, 3296, 1410–1310, 1379, 1226, 721), в т.ч.: тритерпеновых и стероидных спиртов (1653, 1636, 1300–1150, 1124, 1034, 1080, 1170–950, 758, 771, 799); кетонов (1720, 1690, 1653, 1080, 1124), в т.ч.: дикетонов (1636–1541), арилалкилкетонов (1227–1080), диарилкетонов (1690–1653), кетонов, совмещенных с ненасыщенными связями (–С–СО–С = СОR) – (1635–1541, 1635); хинонов; перихинонов (1635) – две группы –СО в одном цикле; две группы –СО в разных циклах (1653–1635); карбоновые кислоты (2694, 2924, 3590–3495, 2855, 1720, 1690, 1379–1227, 1170–1080), в т.ч.: кислоты с внутренней водородной связью (1680–1653); сложные эфиры, лактоны (1790, 1740, 1180, 1080); кумарины и изокумарины (1740–1720, 1636, 1653, 1541, 1514, 1558); полисахариды (1080, 1034, 459, 428); амид I (1690–1636) и амид II (1590–1514).
– деформационные колебания N-H групп первичных (1620–1590) и вторичных (1558–1514) амидов; ангидриды кислот (1850–1800, 1790–1740); асимметричные деформационные колебания NH-группы NH3 (1653), и асимметричные валентные колебания группы (C–O)2 – карбоксилат-иона (1558), симметричные валентные колебания карбоксилат-иона (1421);
– тиофеновых (3096, 3080, 3063, 1541–1034), фурановых (3198, 3177, 3152, 3134, 3107, 1580–1500), пиррольных пиперидиновых и пуриновых циклов (3495, 3427–3389, 3011–3080, 1580–1514, 1000–960, 820); пиррольных циклов в составе порфиринов, хлорофиллов (3495, 3152, 3045, 3011, 1580, 1034, 772–698); алифатических аминов (3500–3366, 1653–1500, 1360–1000); сульфидов (636–623) и дисульфидов (459, 428, 405); тиокетонов (1034–1227, 1080, 1034).
4. Химический состав гиматомелановых кислот
Гиматомелановые кислоты (ГМК) – одна из важнейших составляющих ГК – в значительной степени определяют биологическую активность последних.
ГМК выделяли кипячением ГК в 95 %-м C2H5OH, в котором они хорошо растворяются. Этанольный раствор отделялся фильтрованием, C2H5OH отгонялся, а ГМК сушились в вакуумном шкафу до постоянной массы.
Выход ГМК составил 40 (масс. % от ГК); значение средней молекулярной массы 903 а.е.м.; элементный состав (масс. % daf): С 70,9; H 9,3; N 2,9; O + S 16,9; Н/С(am) = 1,574; СО = –1,217; гипотетическая молекулярная формула С53,35H83,99N1,87O + S9,54.
В ИК-Фурье спектре ГМК были идентифицированы п.п. следующих структурных фрагментов (n, см–1):
– интенсивные п.п. в областях (1600–1300, 900–650) указывают на высокое содержание в ГМК ароматических и гетероциклических соединений (3082–3034, 1600–1500, 1550–1500, 1500–1448, 1175–1123, 1100–1072, 770–730, 744–704), замещенных длинными алкильными цепями (3065–3034, 1500–1446, 910–648), включающими двойные связи (3045, 1650, 1601, 975, 862, 820);
– интенсивные п.п. СН–, СН2–, СН3–групп алкановых и циклоалкановых структур (2980, 2939, 2920, 2868, 1446, 1369, 1394, 1286, 960, 704, 444); наличие циклоалканов подтверждается совокупностью п.п. (3410–3342, 2953, 2939, 2920, 2868, 2849, 1446, 1394, 1369, 704), включающие длинные алкильные цепи (3065–3034, 1500–1446, 1549–1446, 910–648) с двойными связями (3045, 1650, 1601, 975, 867, 820);
– ОН-группы фенолов и спиртов (3574, 3410, 3410–3198, 3292, 1420–1330, 1369, 1330, 1220, 1215, 660-635) в т.ч.: спиртов тритерпеноидного и стероидного типа (1300–1150, 1150–950), стерины (3034, 1670, 960, 862, 840, 800), в частности п.п. (3437–3410, 1072, 970, 862, 820, 805);
– b-ситостерин; кетоны (1728, 1710, 1700, 1690), в т.ч.: ненасыщенные (1675) и a-гидроксикетоны (1740–1720, 1650–1620, 1570–1549); хиноны (1675, 1645) или кетонные группы, сопряженные с двойной связью; карбоновые кислоты (3000–2500, 1760, 1710, 1420, 1300–1200); метиловые эфиры a,b-ненасыщенных (1300–1160) и ароматических кислот (1310–1250), лактоны (1250–1110), жирных длинноцепных алифатических кислот (1250, 1205, 1175);
– пиридиновые, хинолиновые, изохинолиновые (3065–3010, 1650–1580, 1510–1480, 1200, 1100–1000, 900–670, 704), пиримидиновые (3065–3010, 1580–1520, 1000–960, 862–825, 744); сопряженные пиррольные гетероциклы порфиринов, хлорофилла (3526, 3485, 3155, 3148, 3055, 1585, 1039, 750–690), фурановые (3165–3125, 1549, 1500, 1039, 800–740) и тиофеновые циклы (3128–3051, 1520, 1039, 750–690, 862), сульфиды (705–560, 650–610) и дисульфиды (465, 420), амины (3506–3292, 3410–3100, 1650–1549, 1340–1250, 1370–1288, 1230–1018), амиды (3360–3323, 3221–3190, 1680–1620, 1570–1515, 770–610, 630–525).
Согласно УФ/ВИС-спектру в ГМК присутствуют (НМ): бензольные и нафталиновые кольца (200, 220, 260, 275, 310); производные флавонолов (245, 250, 270) и кумаринов (265, 285, 320); ненасыщенные карбоновые кислоты (220), сложные эфиры и лактоны (200, 240, 225), непредельные и предельные кетоны (270, 470), хромоны (625); сопряженные пиррольные циклы хлорофилла и порфиринов (450, 510, 545), индолы, витамин «К» (270), стероидные соединения типа холестадиена и эргостена (280, 290, 320), эргостерина (260, 270, 285, 295), супрастерина (250), тахистерина (268, 280, 295); p-комплексы металлов с фенольными и хиноидными группами (450); пигменты пурпурных бактерий (420, 535), антоцианы (480, 500), каротиноиды, производные витамина «А», дикетоны (415, 450, 470, 480), пиррольные пигменты, сопряженные хиноны (435, 520, 600, 620), гиперицин (660), бактериохлорофилл «а» (365, 400, 475, 610).
Сравнение структурных характеристик ГК и ГМК показывает, что последние имеют почти в 1,5 раза меньше значение молекулярной массы, больше содержание алифатических, алициклических и гидроароматических структур, карбоксильных и сложноэфирных групп.
5. Биологическое тестирование сапропелевых препаратов
5.1. Биологическое тестирование исходного сапропеля
Для изучения биологической активности сапропеля были взяты контрольная и опытная группы морских свинок (самцов в возрасте 1,5 мес.) по 10 особей в группе, а также белых мышей (самцов в возрасте 1 мес.) по 20 особей в группе. Все животные получали хозяйственный рацион: зерно (морские свинки – 20 г/сутки, белые мыши – 11 г); морковь (120 и 3), свекла (120 и 3), г/сутки на одно животное. С целью установления влияния сапропеля на физиологию животных и характер их поведения в опытных группах его скармливали в неограниченном количестве вместе с основным кормом.
Отмечено, что подкормка сапропелем оказала положительное влияние на рост животных. В контрольной группе живая масса морских свинок за 90 дней увеличилась на 19,3–21,9 %, а в опытной на 26,3–44,3 %. В контрольной группе белых мышей за 90 дней живая масса возросла на 11,6–15,4 %, а в опытной – на 10,5–15,0 %.
Однако в контрольной группе белых мышей из-за несбалансированного питания, а именно недостатка микроэлементов, жиров и протеина было загрызено и съедено 50 % особей. В течение эксперимента в данной группе животные вели себя неспокойно и агрессивно, постоянно нападая друг на друга.
Незначительные различия в изменении живой массы контрольных и опытных белых мышей, по-видимому, можно объяснить использованием контрольными особями животного сырья.
Морские свинки и белые мыши в опытных группах в течение всего времени (90 суток) чувствовали себя хорошо, были спокойными и поедали сапропель с большой охотой. Кишечных расстройств не наблюдалось. Улучшилось качество шерсти.
Морфобиохимическое исследование крови позволило сделать вывод о нормальном состоянии здоровья животных. В целом различия между группами по гематологическим показателям были незначительными и находились в пределах физиологических норм. В опытных группах животных отмечалось несущественное увеличение лейкоцитов.
После 3-дневного восстановительного периода контрольные и опытные животные были заражены анаэробной токсигенной культурой Clostridium perfringens.
Контрольные группы животных погибли на 2-й день после заражения, а опытные на 4-й день.
5.2. Биологическое тестирование сапропелевых препаратов (ФК, ГК и ГМК)
Были изучены ФК, ГК и ГМК, которые в различных концентрациях вводились в состав питательных сред для выращивания различных групп микроорганизмов: E.coli, St.aureus, гриб Candida, С.diphterie, для роста последних требуется среда с высоким содержанием аминного азота, глюкозы, нативного белка, что достигается введением в состав среды крови, сыворотки животных.
Установлено, что наибольшей биологической активностью обладают ГК, выделенные из исходного и декальцинированного сапропеля. Наблюдается обильный рост нетребовательных микроорганизмов, таких как E.coli и St.aureus; также отмечается умеренных рост, по сравнению с контролем, высокотребовательных Candida и С. diphterie, в то время как в отсутствии ГК рост микроорганизмов на агаре отсутствует.
ФК вызывают угнетение роста микроорганизмов; чем больше концентрация ФК, тем заметнее эффект угнетения, вплоть до отсутствия роста микроорганизмов.
Для ГМК, в пределах изученных доз, отмечается высокий эффект размножения клеток микроорганизмов. Таким образом, результаты изучения биологической активности ГК, ФК и ГМК могут быть успешно использованы в конструировании питательных сред для диагностики инфекционных заболеваний, а исходный сапропель – в качестве эффективной кормовой добавки.
Усвоение питательных веществ корма, их превращение в организме животных в энергетический и строительный материал определяется активностью ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, содержащихся в сапропеле и различных препаратах на его основе. Их роль особенно возрастает в стрессовых ситуациях. Высокой биологической активностью обладают также ГК торфа, стимулирующие процесс брожения дрожжей, активность ферментов; влияют на окислительно-восстановительные процессы, что объясняется наличием в ГК торфа полифенолов, оксихинонов, хинонов, выполняющих роль переносчиков водорода и активаторов кислорода, а это стабилизирует внутриклеточное дыхание; активирует синтез белка и нуклеиновых кислот. Высокая биологическая активность препаратов на основе торфа месторождения «Мещера» типа «ЭДАГУМ*СМ» была подтверждена РАСХН ГНУ Ставропольским научно-исследовательским институтом животноводства и кормопроизводства (ГНУ СНИИЖК). Отмечено повышение урожайности кормовых и пастбищных трав, а также кормовых бобовых культур на 1,0–2,4 ц/га; сокращение укосного периода на 3–8 дней. Корма имеют более высокое качество, а именно более высокое содержание протеина, жира, БЭР, витаминов, аминокислот в более доступной форме.
Использование «ЭДАГУМ*СМ» в качестве кормовой добавки для сукозных и суягных маток, ремонтных козочек позволило установить его положительное влияние на усвояемость питательных веществ. Среднесуточный привес сукозных и суягных маток составил 16,85 %; молочность 1,16–1,18 кг (1,14 – контроль); настриг шерсти увеличился на 4,25 %; плодовитость – на 18 %. Улучшились гематологические и биохимические показатели крови – гемоглобин на 4,69 %; сократился расход кормов на 17,73 % за счет более эффективного переваривания сухого корма. Среднесуточный привес ремонтных козочек составил 18,75 % (контроль – 10,94 %); молочная продуктивность – на 9,32 %.
Выводы
1. Комплексом современных физико-химических методов анализа впервые выполнено исследование вещественного состава сапропеля озера Лебяжье (Республика Татарстан) с получением подробной характеристики химического группового органического вещества сапропеля, качественного и количественного состава водорастворимых соединений, гуминовых, гиматомелановых и фульвокислот.
2. В составе органического вещества сапропеля идентифицированы аминокислоты, сахара, карбоновые кислоты, кетоны, спирты, производные фенола, нафтолов, хлорофилла, каротиноиды, хиноны, металлопорфирины, стерины. Большинство соединений имеют тесную генетическую связь с исходным биоматериалом, участвовавшим в сапропелеобразовании; проявляют высокую биологическую активность.
3. Выполнено биотестирование сапропеля и различных препаратов на его основе с привлечением большого набора микроорганизмов, а также морских свинок и белых мышей. Гуминовые препараты проявляют антибиотическую активность по отношению к E.coli, St.aureus, C.diphterie и грибам Candida, причем специфичность биологического действия коррелируется с химическим составом препаратов».
Библиографическая ссылка
Платонов В.В., Хадарцев А.А., Чуносов С.Н., Фридзон К.Я. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ САПРОПЕЛЯ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-11. – С. 2474-2480;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35383 (дата обращения: 23.01.2024).

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Углерод.

«Углерод (Carboneum, от лат. назв. угля) С — элемент IV группы 2-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, п. н. — 6, атомная масса 12,01115. Состоит из смеси двух стабильных изотопов 12С (98,9%) и 13С (1,1%). По решению Международного съезда химиков (1961 г.) 1/12 массы изотопа  12С принята за единицу атомной массы. Углерод существует в виде нескольких аллотропных форм (алмаз, графит). В соединениях Углерод проявляет валентность 4+, реже 2+ и 3+. При обычных условиях химически мало активен, однако при нагревании проявляет высокую реакционную способность (особенно аморфный Углерод). Соединения Углерода составляют главную часть всех органических веществ и продуктов их разложения. Химия соединений Углерода выделена в отдельную область — органическую химию».
Изотопы углерода.
Вариации в соотношениях стабильных изотопов углерода в природных образованиях достигают 12%. Изменения изотопного состава углерода используются в геологии для решения вопросов, касающихся источника рудообразующих растворов и генезиса минералов горных пород и руд.
Исследования изотопного состава С дают важные сведения для изучения генезиса м-ний нефти, газа, самородной S, для разработки геохимических методов поисков этих месторождений, для реконструкции условий осадконакопления в древних бассейнах и др.
Данные по изотопному анализу углерода позволили обосновать предположение о глубинном происхождении алмазов и карбонатитов, о наличии графитов, образовавшихся из органического вещества и из карбонатов, об органическом происхождении некоторых урановых минералов и др.
Разделение изотопов углерода в природных условиях вызывается изотопно-обменными реакциями, приводящими к преимущественному накоплению тяжелого изотопа  13С в карбонатах, и биологическими процессами, в том числе фотосинтезом, в результате которых легким изотопом 12С обогащается органическое вещество растительного и животного происхождения.
Изотопный состав углерода морских осадков и карбонатных осадочных пород. изменяется в пределах δ 13С от + 0,5 до — 0,3%;
- в алмазах, карбонатитах, ювенильной углекислоте — от — 0,32 до —0,94% ;
- в органическом веществе морских и пресноводных отлчаются, угле и нефти — от —2,3 до —3,2%.
δ 13С показывает разницу в изотопном составе образца и стандарта.
Знак “минус” указывает на то, что образец содер. меньше 13С, чем стандарт, что он легче стандарта, знак “плюс”—тяжелее стандарта.
За стандарт принят изотопный состав углерода из мелового белемнита с отношением (12С/13С) равным 88,89». (М. Н. Голубкина). 
Ометим, что: «Сланцевой нефтью (керогеновой) называют нетрадиционный вид нефти, которую получают из горючих сланцев в результате пиролиза, гидрирования или термического растворения, при которых твердые остатки органической материи из сланцев преобразуются в синтетические углеводороды (нефть и газ)» (википедия).

«Кероген – это твердое полимерное органическое вещество, нерастворимое в органиче-ских растворителях, которое является наиболее важным элементом нефтематеринских пород. К нефтематеринским породам относят породы сложного полиминерального состава, характе-ризующиеся высоким содержанием органического вещества в виде керогена, битумоида и нефти, например, нефтеносные сланцы.
Будучи смесью органических материалов, кероген не может быть описан химической формулой. В частности, его химический состав может меняться от образца к образцу. Кероген из месторождения Грин Ривер с востока Северной Америки содержит элементы в пропорции: углерод — 215, водород — 330, кислород — 12, азот — 5, сера — 1» (Википедия).
«Порфин (от греч. πορφύρα — пурпур) — органическое вещество, природный пигмент, ароматический макроцикл.
Это темно-красные кристаллы, которые плохо растворяются в органических растворителях, но растворяются в кислотах и не растворяются в щелочах.
Формула порфина была предложена Ф. Кюстером в 1913 году. Он предположил, что порфин состоит из четырёх пиррольных колец, соединённых метиновыми мостиками в макроцикл.
Синтез ряда важнейших порфиринов, в частности гемина, был осуществлён во второй половине 1920-х годов Хансом Фишером, а синтез самого порфина — в 1935 году им же» (википедия).

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Отметим следующее:
С.П. Максимов, 1977, показал связь тектонических циклов и процессом накопления нефти и газа - тектоническая цикличность оказывает влияние на миграцию УВ. Тектоническая обстановка является фактором контролирующим пути направления и скорость миграции УВ.
Под воздействием волн энергии продольного (волны сжатия-растяжения), поперечного типа (волны сдвигового характера), происходит процесс объемного расширения тектоносферы, как по радиали, так и по латерали.
Процесс рудообразования, это всегда процесс дифференциации вещества, который приводит к возникновению зональности. Важно отметить, что временной диапазон действия данного механизма: от архея до квартера.
Выделяются горообразовательные геохимические эпохи формирования и локализации минерального сырья и разделяющие их равнинообразовательные эпохи.
«От эпипалеозойской плиты, к области до платформенной активизации, увеличивается общий потенциал нефтеносности недр. В зоне сочленения эпипалеозойских, более древних плит, основной потенциал нефтегазоносности, связывается с основанием осадочного чехла, в области корового ослабленного горизонта.
Основной потенциал газоносности, связывается с процессами, происходящими в литосфере и верхней мантии» В.И. Попов].
Срединные массивы области плит и платформ - маркируют зоны генерации нефти и газа…  Срединные массивы области подвижных поясов - маркируют зоны дегазации, в связи с тем, что они не перекрыты осадочным чехлом, в котором происходит локализация минерального сырья. Недооценена роль роль погребенных структур Байкальского цикла тектогенеза - СЗ простирание - рифей. В ту эпоху формировалась осадочная формация - серия "Блайна", в которой аккумулировалось минеральное сырье - Копет-Даг, С. Кавказ, З. Сибирь, Тиман.
Исследования Х. Герстенберга, К. Венцеля показали, что «геохимия изотопов дочерних элементов долгоживущих естественных радионуклидов и особенно геохимия изотопов Nb и Sr, как и исследование изотопного состава кислорода в земной коре, позволили получить существенные результаты по динамике и механизму обмена веществом между корой и мантией, а также по общему развитию земной коры. Полученные ими результаты позволяют заключить, что:
1. огромные материковые ядра возникли до рубежа 3,0 млр. лет назад;
2. рост континентов на продолжении всей истории Земли связан с последовательностью более или менее глобальных событий, сопровождавшихся высокой магматической активностью, которая была обусловлена поднятием магмы из верхней мантии;
3. в течении процесса дифференциации, в отдельных областях мантии, произошло обеднение литофильными ( в частности - рифтовые зоны)» [15].

В.А. Ермаков отмечает, что «земная кора магматического происхождения, сформированная к середине протерозоя, - наглядное свидетельство огромной потери тепла, легколетучих и легкоплавких компонентов протомантии. К концу периода (4,4 — 1,6 млр. лет) было образовано 85-95% континентальной коры. Наиболее древние офиолиты имеют возраст менее 2,8 млр.лет. Образование древнейших пород коры (протосиаль - серые гнейсы) произошло в первые 500 млн. лет».Исследования В.А. Ермакова показали, что «древние породы земной коры образовались в первые 500 млн лет (геохронологические и геохимические результаты цирконометрии) и породы протосиаля близки по составу серым гнейсам. Наиболее древние офиолиты имеют возраст менее 2,7 млрд. лет».
О.А. Богатиков отмечает, что «в кислых породах имеются первичные до метаморфические цирконы, в то время, как породы основного состава содержат только метаморфические цирконы (1985)».
В протерозое (2,5-1,9 млр. лет) происходят процессы деформации коры, сопровождающиеся внутрикоровым и мантийным магматизмом и высокотемпературным метаморфизмом. К середине протерозоя сформировалась кора магматического происхождения (В.А. Ермаков).   
Метапороды основного и ультраосновного состава имеют возраст архей - протерозой. Первые офиолиты имеют возраст менее 2,7 млр. лет.
Фиксируется повсеместное налегание пород зеленоакаменых поясов на комплексы сиалической коры.
«В архее скорость осевого вращения была менее 10 часов» (М.З. Глуховский, В.Н. Жарков, Ю.Н. Авсюк), «...в связи с чем в экваториальных широтах (±35º), под воздействием центробежных сил в режиме мантийных плюмов, происходило зарождение коры сиалического состава [М.З. Глуховский], а также формирование зеленокаменных поясов первого поколения - Барбертон и Пилбара (3,4-3,2 млр. лет)» [Kolger, 2006] [5].
Зеленокаменные пояса второго поколения (3-2,7 млр. лет) формировались в режиме быстрого осевого вращения.
Многие исследователи [В.В. Белоусов, Н.Л. Боуэн, Г.С. Горшков, Б. Гутенберг, Н.Л. Добрецов, В.С. Соболев, В.А. Магницкий и др.] считают, что, базальтоидный магматизм имеет «сквозькоровый» характер, полагая, что магмогенерирующие очаги располагаются в пределах волновода. Это подтверждается ультраосновными и эклогитовыми включениями («вестников» больших глубин) и связью регионов базальтопроявлений с очагами землетрясений.


- Элементный состав нефти: С 82,5-87%; Н 11,5-14,5%; О 0,05-0,35, редко до 0,7%; S 0,001-5,5%, редко свыше 8%; N 0,02-1,8%. Около 1/3 всей добываемой в мире нефти содержит свыше 1% S.
Средняя величина Corg в стратиграфическом разрезе (нефть+газ) мира):  Corg=5%, проанализированы n=50 свит от палеопротерозоя до квартера.
Т.о.: 87 — 5 = 82% С, -  абиогенного углерода
Углеводороды комплементарны друг другу.
По В.И. Вернадскому 1934 год: содержание углерода в углеводородах С = 83-87%;
- водорода Н = 11-14%.
Насыщение нефти кислородом атмосферы: содержание кислорода до 6%.

2021 год:
- элементный состав нефти: С 82,5-87%; Н 11,5-14,5%;
Насыщение нефти кислородом атмосферы: О 0,05-0,35.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Азотсодержащие соединения в нефти (по данным для 500 нефтей) содержатся в пределах от 0,02-0,40 % (масс.), хотя в некоторых может достигать 0,8-1,5 и даже 10-12%.
Все азотсодержащие соединения нефти являются, как правило, функциональными производными аренов, в связи с чем имеют сходное с ними молекулярно-массовое распределение. Однако в отличие от аренов азотсодержащие соединения концентрируются в высококипящих фракциях нефти и являются составной частью смол и асфальтенов в нефти.
До 95 % имеющихся в нефти атомов азота сосредоточены в смолах и асфальтенах. Высказано мнение, что при выделении смол и асфальтенов с ними соосаждаются в виде донорно-акцепторных комплексов даже сравнительно низкомолекулярные азотсодержащие соединения. В соответствии с общепринятой классификацией по кислотно-основному признаку азотсодержащие соединения делятся на азотистые основания и нейтральные соединения. Основания в нефти. Азотсодержащие основания в нефти являются, по-видимому, единственными носителями основных свойств среди компонентов нефтяных систем. Доля азотсодержащих оснований в нефти, титруемых хлорной кислотой в уксуснокислой среде, колеблется от 10 до 50 %. В настоящее время в нефтях и нефтепродуктах идентифицировано более 100 алкил- и ареноконденсированных аналогов пиридина, хинолина и других оснований.
Пиридины в нефти.
Сильно основные азотсодержащие соединения в нефти представлены пиридинами и их производными:

✦пиридины


✦пиперидины.


✦хинолины


✦изохинолины


✦бензохинолины


✦акридины

Анилины в нефти.
К слабоосновным азотсодержащим соединениям в нефти относятся анилины, амиды, имиды и N-циклоалкилпроизводные, имеющие в пиррольном кольце в качестве заместителя алкильные, циклоалкильные и фенильные группы:

В составе сырых нефтей и прямогонных дистиллятов чаще всего обнаруживаются производные пиридина. С увеличением температуры кипения фракций обычно возрастает содержание азотсодержащих соединений, при этом изменяется их структура: если в легких и средних фракциях преобладают пиридины, то в более тяжелых - их полиароматические производные, а в продуктах термической переработки при повышенных температурах в большей степени присутствуют анилины. В светлых фракциях доминируют азотистые основания, а в тяжелых фракциях, как правило, - нейтральные азотсодержащие соединения.
Индолы и карбазолы нефти.
К нейтральным азотсодержащим соединениям, не содержащим в молекулах иных гетероатомов, кроме атома азота, и выделенным из нефти, относятся индолы, карбазолы и их нафтеновые и серосодержащие производные:

✦индолы (бензпироллы)


✦карбазолы

При выделении нейтральные азотсодержащие соединения образуют ассоциаты с кислородсодержащими соединениями и извлекаются попутно с азотсодержащими основаниями.
Прочие соединения азота в нефти.
Наряду с названными монофункциональными, идентифицированы следующие соединения азота в нефти:
    1. Полиароматические с двумя атомами азота в молекуле:

✦1,10-фенантролин.


✦феназин.

    2. Соединения с двумя гетероатомами (азота и серы) в одном цикле – тиазолы и бензтиазолы и их алкил- и нафтеновые гомологи:

✦тиазолы.


✦бензтиазолы.

    3. Соединения с двумя гетероатомами азота и серы в разных циклах:
        ◦ тиофенсодержащие алкилкилиндолы;
        ◦ тиофенсодержащие циклоалкилиндолы;
        ◦ карбазолы.
    4. Соединения с карбонильной группой в азотсодержащем гетероцикле, такие как:

✦пиперидоны.


✦хинолоны.

    5. Порфирины.
Порфирины в нефти.

 
Порфирины в нефти являются типичными примерами нативных нефтяных комплексных соединений.
Порфирины с ванадием в качестве координационного центра (в форме ванадила) или никелем. Ванадилпорфирины нефти - в основном гомологи двух рядов: алкилзамещенных порфиринов с различным суммарным числом атомов углерода в боковых заместителях порфинового цикла и порфиринов с дополнительным циклопентеновым кольцом. Металлпорфириновые комплексы присутствуют в природных битумах до 1 мг/100 г, а в высоковязких нефтях - до 20 мг/100 г нефти.
При исследовании характера распределения металлпорфириновых комплексов между составными частями нефтяной дисперсной системы (НДС) в работе методами экстракции и гель-хроматографии установлено, что 40% ванадилпорфиринов сосредоточено в дисперсных частицах (примерно поровну в составе ядра и сольватного слоя), а оставшаяся их часть и никель-порфирины содержатся в дисперсионной среде.
Ванадилпорфирины в составе асфальтенов вносят значительный вклад в поверхностную активность нефтей, при этом собственная поверхностная активность асфальтенов невелика.
 В меньшей степени изучено влияние металлпорфиринов на дисперсное строение нефти и условия протекания фазовых переходов в нефтяных системах. Есть данные об их отрицательном влиянии наряду с другими гетероатомными компонентами на каталитические процессы нефтепереработки. Помимо этого, они должны сильно влиять на кинетику и механизм фазовых переходов в нефтяную дисперсную систему.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

«Обычно микроэлементы разделяют на группы с близкими геохимическими свойствами, что предопределяет то или иное их поведение в геологических процессах. По соотношению валентность - ионный радиус элементы примеси можно разделить на транзитные (V, Cr, Mn, Fe, Co, Vi, Cu, Zn), крупноионные (Cs, Rb, Ba, Sr, Pb), высокозарядные (Ti, Sc, Zr, Nb, Ta, Hf, Y, Th, U), a благородные (Au, Ag). Высоколетучие халькофильные элементы (Ge, Ga, As, Se, Cd, Sb, Te, Re, Hg. TI, Bi) также составляют обособленную группу» [Р.П. Готтих и др.]. Показано, что как твердые битумы, так и мальта, рассеянные в осадочных породах, прорванных кимберлитами, имеют мантийные соотношения изотопов неодима, сходные с аналогичными соотношениями в кимберлитах. Эти данные доказывали перспективность использования изотопной геохимии тяжелых элементов для диагностики источника вещества во флюидных, в том числе восстановленных, системах. Вопрос об источнике вещества в битумах нефтегазоконденсатных месторождений остался, при этом, открыт. Последующие исследования изотопного состава неодима и стронция, выполненные по нафтидам других регионов несколько приблизили к пониманию некоторых геохимических аспектов в области нефтяной геологии. По крайней мере, было показано, что генетически нефть месторождения Белый Тигр не имеет никакого отношения к органическому веществу примыкающих осадочных толщ и вмещающим гранодиоритам, что широко обсуждалось (и обсуждается) в научной литературе. Авторы [Готтих Р.П., Писоцкий Б.И. и др., 2012], приходят к выводам:
- нефти всех нефтегазоносных провинций обогащены по отношению к кларку для верхней коры элементами, присущими фумарольным газам вулканов: Hg, As, Sb, Se, Te, Cd, Ag, Au; выборочно: Re, Ni, Cr, Pb, Bi;
- во всех пробах нефти присутствуют элементы платиновой группы, что отличает нефти от верхнекоровых комплексов и пород осадочного чехла;
- в выделенных с изотопным разбавлением из нефти платиноидах, нормализованный на хондрит спектр сходен со спектром платиноносных руд гипербазитов;
- нефти провинций отличаются как по набору ряда элементов на диаграммах: четные-нечетные, так и по некоторым индикаторным отношениям: Ru/Ir, Ti/Y, Zr/Nb, Nb/Ta, Th/Yb;
- хондритнормализованные спектры лантанидов нефти, в большинстве своем, характеризуются ярко выраженной положительной аномалией по европию, что отличает их от аналогичных спектров органического вещества, пластовых (захороненных) вод, осадочных и кислых магматических и метаморфических пород фундамента. Угол наклона в нормализованных спектрах лантаноидов нефти (La/ Yb)N определяется, судя по всему, как щелочностью источника, так и величиной флюидного давления;
- битумы, рассеянные в осадочных породах нефтегазоносных провинций по своим геохимическим особенностям не «вписываются» в разработанную классификацию нафтидов Успенского-Радченко и не могут, в значительно своей части, являться продуктами преобразований нефти. Разница в уровне накопления ряда элементов между битумами и нефтью достигает 4-5 порядков;
- различие в уровнях накопления ряда микроэлементов в планктоне и битумоидах из ОВ нефтематеринских пород (микронефти) может достигать двух порядков. Кларка для данных образований не существует, а содержание микроэлементов в ОВ определяется геохимическими условиями бассейна седиментации. Уровень концентрирования «биофильных» элементов в органических веществах, развивающихся в областях влияния глубинных флюидов, также существенно превышает уровень их накопления в ОВ на удалении от источников (от 510 раз до двух и более порядков);
- изотопные составы продуктов трансформации магматогенных флюидов (битумов) при инверсии редокс-потенциала, в ряде случаев соответствуют источникам расплавов, а не предполагаемым биогенным контаминантам, что позволяет использовать изотопию тяжелых элементов в области нефтяной геологии;
- в битумоидах из ОВ доманикового горизонта ЮТС идентифицирована мантийная компонента, соответствующая резервуару DM. Модельный возраст источника отвечает возрасту проявления в регионе среднедевонского этапа магматизма;
- изотопные составы нефти не отвечают изотопным составам пород осадочного чехла и битумоидам ОВ. Возможным источником вещества для нефтеобразующих флюидов могут быть области EM, образовавшиеся, в том числе, и в результате палеосубдукционных процессов» [Р.П. Готтих и др., 2000].


«Элементарный состав некоторых нефтей (% масс.)
Нефти угленосного горизонта и турнейского яруса Ново-Елховского месторождения очень близки по своим свойствам. Их относительные плотности находятся в пределах 0,8980— 0,9050. Нефти относятся к типу высокосернистых (2,6—2,8% 5) содержание парафина 2,8—3,4%, сернокислотных смол более 60%. Выход светлых фракций до 300° С относительно невысок и составляет 34,8—35,2%, причем на бензины приходится 15—18%. [c.11]
Нефти пашийского горизонта Ромашкинского, Ново-Елхов-ского и Акташского месторождений весьма близки по своим свойствам. Плотности нефтей находятся в пределах 0,8620— 0,8663 г/сж . По содержанию серы (1,61—1,68%) и парафина (3,8—5,1%) они относятся к типу сернистых и парафинистых. Больше всего парафина содержится в ромашкинской нефти (5,1%). На смолистый характер нефтей указывает значительный выход сернокислотных (34—40%) и силикагелевых (7,2— 10,6%) смол, асфальтенов (3,8—4,5%), кокса (5,0—5,9%). В табл. 8 приведены данные о потенциальном содержании фракций по кривой НТК. Выход фракции до 350° С составляет 46— 49% выход фракций до 500° С достигает 64—71% (наибольший выход фракций приходится на ромашкинскую нефть). [c.14].   

Несмотря на то, что нефть залегает в различных геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах. Он характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов - углерода, водорода, серы, кислорода и азота при резком количественном преобладании первых двух. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 83-87%, в природных газах 42-78%. Водорода в нефтях 11-14%, в газах 14-24%. Из других элементов в нефтях чаще всего встречается сера. Её содержание в отдельных нефтях достигает 6-8%. В природных газах сера обычно содержится в виде сероводорода, количество которого иногда достигает 23% (Астраханское месторождение) и даже более 40% (Техас).
Содержание кислорода в нефтях иногда достигает 1-2%. В природных газах кислород присутствует преимущественно в виде СО2, количество которого изменяется от концентраций, близких к нулю, до почти чистых углекислых газов (80% СО2 - Семидовское месторождение в Западной Сибири, 99% СО2 — Нью-Мехико).
Содержание азота в нефтях не превышает 1%, а в природных газах может достигать десятков процентов. Некоторые природные газы почти полностью состоят из азота (85-95 % N2, месторождение Вест-Брук в Техасе).
В природных газах присутствуют гелий, аргон и другие инертные газы. Содержание гелия в газах обычно менее 1-2%, хотя в некоторых случаях оно достигает 10%.
Концентрация аргона в газах, как правило, не превышает 1 %, и лишь в некоторых случаях достигает 2 %.
В составе нефти в очень малых количествах присутствуют и другие элементы, главным образом металлы: алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, хром, кобальт, германий, титан, натрий, калий и др. Обнаружены также фосфор и кремний. Содержание этих элементов не превышает нескольких долей процента, определяется геологическими условиями залегания нефти. Так, основным элементами мезозойских и третичных нефтей является железо. В палеозойских нефтях Волго-Уральской области повышенное содержание ванадия и никеля. Считается, что часть микроэлементов находится в нефти с момента её образования в осадочных породах, а другая часть накапливается в последующий период существования нефтей.
Большой интерес для выяснения геохимической истории нефтей представляет изотопный состав нефтей, т.е. соотношение в них изотопов углерода, водорода, серы и азота. По имеющимся данным, отношение масс различных изотопов в нефтях составляет: 12С/13С 91-94, Н/Д (1Н/2Н) 3895-4436, 32S/34S - 22-22,5, 14N/15N — 273-277.
Различные компоненты одной и той же нефти имеют неодинаковый изотопный состав элементов. Низкокипящие фракции характеризуются облегчённым составом углерода. Различие в протонном составе наблюдается и для отдельных классов соединений (например, ароматические углеводороды богаче изотопом 13С, чем парафиновые углеводороды)» (Сыркин А.М.,  2002).
Элементный состав нефти месторождений России и СНГ
Название месторождения
Содержание в %
C     H     O     S     N
Охинское (Сахалин)
87.15    11,85     0,27 0,3 0,43
Грозненское (Чеченская республика)
85,9         13,1     0,8 0,13 0,07
Тюменское (Западная Сибирь)
85,92         12,88     0,36 0,66 0,18
Сураханское (Азербайджан)
85,3     14,1     0,54 0,03 0,03
Ромашкинское (Татарстан)
83,34 12,65 0,21 1,62 0,18
Коробковскае (Волгоградскаяобл)
85,1     13,72     0,02 1,07 0,09
Могутовское (Оренбургская обл.)
83,85     12,02     0,85 3 0,28
Радаевское (Самарская обл.)
82,78     11,72     2,14     3,05     0,31
Полуостров Мангышлак
85,73     13 0,4     0,69 0,18
Арланское (Башкортостан)
84,42     12,15     0,06 3,04 0,33
Ухтинское (Республика Коми)
85,47     12,19     1,93     0,09     0,2
Самотлорское (Западнаят Сибирь)
  86,23     12,7     0,25 0,63 0,1

«Состав Hефти. Представляет жидкость более легкую, чем вода, Н. разных мест, иногда и соседних, имеет много различий по разным свойствам: цвету, плотности, летучести, температуре кипения и т. п., но всегда это есть жидкость в воде почти нерастворимая и по элементарному составу содержащая преимущественно углеводороды с подмесью небольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральных соединений, как видно не только по элементарному составу, но и по всем свойствам, принадлежащим углеводородам.
В бакинской (апшеронской) Н. Марковников и Оглоблин нашли:
 от 86,6 до 87,0% углерода и от 13,1 до 13,4% водорода.
В пенсильванской Н. С. К. Девилль нашел:
 83—84% углерода, 13,7—14,7% водорода,
- в рангоонской (в Бирме) он же — 83,8% углерода и 12,7% водорода,
- в огайской (Соединенные Штаты) Мабери нашел:
- 83,8—85,8% углерода и 13,05—14,60% водорода,
- в канадской (он же, 1897) — 83,6—83,9% углерода и 13,39—13,36% водорода.
Недостающее до 100 отвечает содержанию кислорода, серы, азота, воды и минеральных подмесей.
Количество серы в некоторых сортах Н. едва составляет несколько сотых % (например, в обыкновенной зеленой бакинской Н. 0,06%) и наибольшее найдено в огайской и канадской Н., но и там Мабери нашел только 0,3—0,8% серы.
Азота всегда мало, обыкновенно менее 0,2%.
Минеральных подмесей (золы) еще меньше, и мне неизвестен ни один случай, где количество их доходило бы до 0,1%.
Поэтому, за вычетом суммы всех других составных начал, в сырой Н. надо принимать от 1 до 4% кислорода. Оно и понятно из того, что в Н., несомненно, содержатся органические (жирные и к ним близкие) кислоты, так как они содержат кислород. Различия в элементарном составе, как видно, невелики, несмотря на значительную разность свойств. Однако, все-таки разность состава сказывается в том, что:
- на 12 грамм (атомное количество) углерода в пенсильванской Н. около 1,95 водорода, а в бакинской только 1,82, а в канадской (1,91) и др. — промежуточное количество.
Это уже показывает, что во всей массе Н. содержится всегда меньше водорода, чем в углеводородах состава СnH2n (потому, что для них на 12 частей углерода приходятся 2 части водорода), и что от этого состава бакинская Н. дальше, чем американская, что подтверждается и знакомством с углеводородами, извлекаемыми из Н., как увидим далее». (Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона)..

Компонентный состав газа:  азот + редкие;  гелий, % 10,36; метан, % 39,64;  этан, % 22,28;  пропан, % 18,93;  изобутан, % 1,74;  н. бутан, % 4,36;  изопентан, % 0,67;  н. пентан, % 0,65;  пексан, % 0,46;  сероводород, % 0,02;  углекислый газ, % 0,89;  плотность газа, кг\м3 1,2398 .Источник: https://drprom.ru/bakalavrskaya/romashkinskoe-mestorojdenie.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Физические свойства углеводородов
    I. Агрегатное состояние.
При стандартных условиях (Т = 298 К, Р = 1 атм) в зависимости от строения и молекулярной массы углеводороды могут быть газообразными, жидкими или твердыми веществами. Все углеводороды с длиной цепи С1 – С4 газообразны, С5 – С16 являются жидкостями. Углеводороды состава С19 и выше – твердые вещества. Тип углеродной цепи влияет на температуры кипения (t0k) и плавления (t0пл). Так, нормальные углеводороды в отличие от разветвленных изомеров имеют более высокие t0k и t0пл. Пример:
СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 СН3-СН(СН3)-СН2-СН3
н-пентан изопентан (2-метилбутан)
t0k = +360С, t0пл = -1300С t0k = +280С, t0пл = -1600С
Между молекулами углеводородов в твердом и жидком состоянии действуют силы Ван-дер-Ваальса. Между ароматическими молекулами возникают силы  -  - электронного взаимодействия. Таким образом, силы сцепления между молекулами больше у нормальных углеродных цепей в жидких углеводородах, и отрыв молекулы от поверхности жидкости сложнее у н – цепей, чем у изомерных разветвленных. В твердых углеводородах фазовый переход твердое тело  жидкость определяется плотностью упаковки молекул. Эта упаковка компактнее у неразветвленных углеводородов. Поэтому н – углеводороды плавятся при более высокой температуре, чем разветвленные. Рыхлость упаковки молекул разветвленных углеводородов в твердой фазе обусловливает более слабые силы межмолекулярного взаимодействия, более низкие энергии кристаллической решетки.
Введение одной двойной связи несколько понижает t0k (на 5-70) по сравнению с алканами. Зависимость t0пл более сложна.
Сопряженные алкадиены по t0k напоминают алканы, т. е. сопряжение не влияет на температуру кипения. Так, даже ароматическое сопряжение в бензоле (t0k = +800С) не изменяет t0k (t0k циклогексана +810С). С увеличением числа  - связей и особенно в случае их сопряжения температуры плавления углеводородов заметно увеличиваются.
Пример:
Н2С=СН-СН2-СН3 Н2С=СН-СН=СН2 НС  С-С  СН
1-бутен 1,3-бутадиен 1,3-бутадиин
t0пл = -1850С t0пл = -1090С t0пл = -360С
Арены имеют в зависимости от типа более сложные зависимости t0k и t0пл. Среди дизамещенных бензола пара – изомеры всегда имеют более высокие t0пл (легче замерзают). Введение алкильной группы в бензол значительно повышает t0k (понижает летучесть) и сильно понижает t0пл.
       Цвет, запах, действие на кожный покров.
Почти все углеводороды бесцветны за исключением длинноцепочечных сопряженных полиенов. Пример:
Н2С=СН-(СН=СН-СН=СН)n-СН=СН2, при n = 2 и более появляется окраска (ликопин или каротин томатов). Одноядерные ароматические углеводороды бесцветные соединения.
Запах органического соединения определяется его летучестью и характером взаимодействия с рецепторами органов обоняния. Газообразные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан) не имеют запаха. Все газообразные непредельные углеводороды, начиная от очень слабо пахнущего этилена, имеют запах, усиливающийся с увеличением количества  - связей и с их сопряжением. Ацетилен имеет слабый эфирный запах. Все жидкие углеводороды имеют запах керосина или бензина. Твердые углеводороды не пахнут при обычной температуре, если они не летучи.
Жидкие углеводороды раздражающим образом действуют на кожу.
       Плотность, структурированность жидкого состояния.
Большинство углеводородов имеют плотность (объемную массу) меньше 1. Плотность углеводородов возрастает по мере увеличения молекулярной массы. Так, в ряду алканов от С1 до С30 плотность возрастает от 0,415 до 0,810, в ряду алкенов от С3 до С6 от 0,610 до 0,674, в ряду алкинов от С3 до С10 от 0,690 до 0,766. Это обусловлено возрастанием сил межмолекулярного взаимодействия за счет появления  - связей.
В результате  -  -межмолекулярного взаимодействия арены заметно структурированы, в отличие от алканов, алкенов и алкинов. Поэтому их плотность значительно выше, чем у других углеводородов (для бензола d420 = 0,879) и мало зависит от алкилирования.
Примечание: обозначение d4t означает, что плотность жидкости измерена при температуре относительно плотности воды при 40С.
       Растворимость в воде и неводных растворителях.
При растворении углеводородов в растворителях определяющей является сольватация их молекул, т. к. структурированность жидких и твердых углеводородов невелика. Под сольватацией следует понимать всю сумму энергетических и структурных изменений, происходящих в системе в процессе перехода газообразных молекул, ионов, радикалов или атомов в жидкую фазу растворителя с образованием однородного раствора, имеющего определенный химический состав и структуру. Сольватация малополярных органических молекул осуществляется благодаря диполь – дипольным и дисперсионным взаимодействиям. Углеводороды хорошо сольватируются неполярными жидкостями, их галогенопроизводными, но плохо сольватируются полярными жидкостями (водой, спиртами, карбоновыми кислотами). Чем выше полярность растворителя, тем ниже растворимость углеводородов. Поэтому все углеводороды неограниченно растворяются друг в друге и в галогенопроизводных (дихлорэтане, хлороформе, четыреххлористом углероде, хлористом метилене и т. д. В то же время они слабо растворяются в спиртах, кетонах, сложных эфирах и практически не растворяются в воде.
       Горючесть, взрывоопасность, ядовитость.
Большинство углеводородов ядовито при хроническом вдыхании их паров. Особенно опасен бензол при длительной работе с ним, а также конденсированные арены с числом бензольных колец более 4. Последние способствуют развитию раковых заболеваний (канцерогенные вещества), поэтому попадание их в атмосферу и водоемы недопустимо
Все углеводороды горючи. При нагревании до 400-6000С без кислорода происходит обугливание, с кислородом – горение.
Физико – химические свойства и показатели пожарной опасности связаны между собой. Так, низкая температура кипения вещества указывает на низкую температуру вспышки данного вещества, а высокая химическая активность, особенно по отношению к окислителям, - на низкую температуру воспламенения.
Так, в ряду алканов с увеличением длины цепи повышается температура кипения, а следовательно, и температура вспышки. Повышается энтальпия сгорания, и понижается температура самовоспламенения.
При сгорании природного газа достигаются температуры до 10000С и выше, а сжигание ацетилена в смеси с кислородом позволяет получать пламя с температурой до 28000С. Это используется для резки и сварки металлов.
Представляет практический интерес расчет стандартных теплот сгорания углеводородов. Рассмотрим этот вопрос на примере алканов.
В общей формуле уравнение реакции горения алканов может быть записано следующим образом:
CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 = nCO2 + (n+1)H2O
Cтандартная теплота сгорания сН298 может быть рассчитана по разности стандартных теплот образования продуктов реакции и реагентов:
сН298 = обр Н298 (продукты) -  обр Н298 (реагенты).
Для расчета могут быть использованы величины обр Н298, приведенные, например, в “Справочнике химика”, 1966 г., Т. 1, стр. 774 – 837, 854 – 875. Ниже приводятся теплоты образования из С(тв), О2(газ), Н2(газ) газообразного СО2, жидкой воды (в кДж/моль).
СО2 (газ) обр Н298 = -393,3,
Н2О (ж) обр Н298 = -285,8.
Теплоты образования органических соединений с хорошим приближением можно рассчитывать, пользуясь так называемыми инкрементами. При этом исходят из предположения о том, что каждая структурная единица вносит в теплоту образования всегда один и тот же вклад, независимо от того, в каком соединении эта единица находится (принцип аддитивности). Ниже приведена таблица 2 структурных инкрементов, достаточных для расчета теплот образования алканов.
Величины структурных инкрементов
Элемент структуры
Структурный инкремент
кДж/моль
СН3
-42,34
-СН2-
-20,63

-4,56

3,35
Расчет стандартной теплоты сгорания пропана.
СН3 – СН2 – СН3 + 5О2  3СО2 + 4Н2О
Сумма теплот образования продуктов равна:
3(-393,3) + 4(-285,8) = -2323,1 кДж/моль
Сумма теплот образования реагентов:
(-42,34) 2 + (-20,63) = -105,31 кДж/моль
(Теплота образования О2(газ) из О2(газ) естественно равна нулю.
Разность дает стандартную теплоту сгорания пропана:
сН298 = -2323,1-(-105,3) = -2217,8 кДж/моль
При добыче угля в шахтах часто выделяется метан, образуя с воздухом взрывоопасные смеси. При взрыве метано-воздушных смесей развивается давление до 706 кПа. Поэтому там, где может выделяться природный газ, очень важно следить за составом воздуха. Для предупреждения взрыва при аварийном выделении метана и для тушения факела в закрытых объемах используют СО2 или азот. Минимальная концентрация диоксида углерода как огнетушащего средства равна 26% (об.), азота 39% (об.). С хлором метан образует смесь, взрывающуюся при действии на нее солнечного света или другого сильного источника света. Взрыв смеси метана с хлором может произойти и при ее нагревании до 1500С. Поэтому недопустимо совместное хранение баллонов с хлором и метаном.
Представитель алкенов – этилен способен самовозгораться в атмосфере хлора. Эта реакция протекает со взрывом, особенно если на смесь попадает солнечный свет. Поэтому совместное хранение баллонов с хлором и этиленом недопустимо. В отличие от метана этилен горит сильно светящимся пламенем, что обусловлено повышенным содержанием углерода. Смесь этилена с воздухом при поджигании взрывается с большой силой. Давление при этом достигает 764 кПа. Минимальная концентрация диоксида углерода как огнетушащего средства в этом случае составляет 42% (об.), а азота 52% (об.). Эти концентрации намного выше, чем в случае метана, что объясняется более широким диапазоном пределов воспламенения этилена.
Ацетилен под давлением неустойчив. При давлении более 196 кПа ацетилен способен разлагаться со взрывом до углерода и водорода. Температура взрыва 30000С, давление увеличивается приблизительно в 11 раз. Поэтому ацетилен нельзя хранить в сжатом состоянии, подобно другим газам, в стальных баллонах обычного типа. Для его хранения и перевозки применяют баллоны, наполненные активным углем, пропитанным ацетоном, в котором и растворяют ацетилен под давлением. При таком способе хранения ацетилен не взрывается даже при давлении 2940 кПа. Ацетилен с воздухом образует взрывчатые смеси. Пределы воспламенения: НПВ – 2% , ВПВ – 81%. Температура самовоспламенения 3350С. Ацетилено-воздушные смеси взрываются с большой силой. Давление взрыва достигает 931 кПа. Для предупреждения взрыва при аварийном выделении ацетилена и для тушения факела в закрытых помещениях требуется СО2 57% (об.), а азота 70% (об.).
Нефть – источник углеводородов, легко воспламеняющаяся жидкость. Температура вспышки ее лежит в пределах от -340С до +340С. Нефть имеет сравнительно низкую температуру самовоспламенения, лежащую в пределах от 260 до 375 К. Кроме того она имеет высокую теплоту сгорания (выше 42000 кДж/кг). При перегонке нефти получают следующие фракции:
Газовая фракция содержит алканы С1 – С4. Природный газ – это преимущественно метан ( 98%), баллонный газ – это в основном пропан и бутан.
Бензиновая фракция (t0k = 40 – 1800С) содержит углеводороды С5 – С12, всего до 100 и более индивидуальных соединений, в том числе алканы, циклоалканы, алкилбензолы.
Керосиновая фракция (t0k = 180 – 3000С) содержит в основном углеводороды С9 – С16. Это топливо для реактивных двигателе и сырье для крекинга.
Соляровый дистиллят (t0k = 300 – 4000С) состоит примущественно из углеводородов С15 – С25. Это сырье для получения дизельного топлива.
Мазут (t0k =  3000С в вакууме) имеет приблизительный состав С20 – С30. Используется как топливо для сжигания в топках котлов. Фракционной отгонкой под вакуумом получают смазочные масла, вазелин, парафин
Ароматический углеводород бензол – легковоспламеняющаяся жидкость, горит сильно коптящим пламенем. При взрыве паровоздушных смесей развивается давление до 784 кПа. Ароматические углеводороды тушат тонкораспыленной водой и пеной.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Что происходит с углеродом при высоком давлении и температуре?

Углерод в природе существует в нескольких аллотропных модификациях: алмаз, графит и сюда же относят древесный уголь, а также этот элемент присутствует в синтетических модификациях: карбин, графен, фуреллен. Все эти модификации при определенных условиях могут переходить из одной модификации и другую, при этом меняется кристаллическая решётка вещества. Например, если взять более доступный графит (из простого карандаша грифель) и воздействовать на него высоким давлением при высокой температуре без доступа кислорода воздуха, то получите искусственные алмаза, обработанные эти алмазы называются фианитами, которые впервые были получены в СССР и институте ФИАН (Физический институт Академии наук), поэтому эти камушки получили такое название - фианиты в отличии от бриллиантов.
система выбрала этот ответ лучшим
в избранное ссылка отблагодарить
5 лет назад 
Рассмотрим фазовую диаграмму углерода.
Из нее видно, что при не слишком высоких температурах и в довольно большом интервале давлений термодинамически устойчивой является только одна аллотропная форма углерода - графит. А алмаз термодинамически при обычных температурах и давлениях неустойчив (но его переход в графит обычно происходит чрезвычайно медленно). Если графит при давлениях до 100 - 150 тысяч атмосфер (100 - 150 кбар) нагревать выше 4000 К, он расплавится. И будет просто жидкий углерод. При меньших температурах повышение давления сначала превратит графит в алмаз, а дальнейшее повышение давления или повышение температуры расплавит алмаз и превратит его в тот же жидкий углерод.
Алканы – это предельные углеводороды, содержащие только одинарные связи между атомами С–С в молекуле, т.е. содержащие максимальное количество водорода.
 труктурная изомерия.
Для  алканов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета..
Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом , которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.
Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета..
Например.
Для н-бутана (алкана с линейной цепью) существует изомер с разветвленным углеродным скелетом – изобутан.
Бутан
Изобутан


 
С увеличением числа атомов углерода в молекуле увеличивается количество изомеров, соответствующих данной формуле. У метана CH4, этана C2H6 и пропана C3H8 структурных изомеров нет.Количество изомеров в ряду алканов:
Молекулярная формула
Число структурных изомеров. 
C4H10
2
C5H12
3
C6H14
5
C7H16
9
C8H18
18
C9H20
35
C10H22
75
Оптическая изомерия. Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными заместителями (атомами или атомными группами), например:.

то возможно существование двух соединений с одинаковой структурой, но различным пространственным строением.Молекулы таких соединений относятся друг к другу, как зеркальные изображение и предмет. При этом никаким вращением нельзя получить одну молекулу из другой..

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Источники и получение метана.
 
Метан — простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Его химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа». Основной компонент природных (77—99%), попутных нефтяных (31—90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ).
На 90–95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.
Метан образуется при термической переработке нефти и нефтепродуктов (10—57% по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24—34%). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия. 
В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и калия) или безводного гидроксида натрия с уксусной кислотой. Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.
Свойства метана.
Метан горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м3. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Так, при содержании в воздухе до 5–6% метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650—750 °С), от 5–6% до 14–16% взрывается, свыше 16% может гореть при притоке кислорода извне. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Кроме того, значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43% соответствует 12% O2).
Взрывное горение распространяется со скоростью 500—700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме равно 1 Мн/м2. После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования. На объектах, опасных из-за присутствия метана (главным образом, угольные шахты), вводится т.н. газовый режим.
При 150-200 °С и давлении 30-90 атм метан окисляется до муравьиной кислоты.
Метан образут соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.
Соединения углерода с водородом и серой
Водородные соединения – углеводороды. При взаимодействии углерода с водородом образуется метан:
С + 2Н2 = СН4.
В лабораторных условиях метан получают нагреванием безводного ацетата натрия со щелочью:
СH3COONa + NaOH = CH4 + Na2CO3.
Дисульфид углерода (сероуглерод) CS2 получают из метана обработкой парами серы при 600 0С с участием катализатора:
СН4 + 4S = СS2 + 2H2S,
или при взаимодействии с серой при повышенных температурах:
C + 2S = CS2.
Сероуглерод CS2 – бесцветная жидкость с запахом редьки, очень быстро улетучивается уже при комнатной температуре. Не растворим в воде. Растворяет жиры, смолы, каучук, серу, фосфор, йод. Ядовит!
Сероуглерод огнеопасен; при поджигании на воздухе сгорает с образованием соответствующих оксидов:
СS2 + 3O2 = 2SO2 + CO2.
Карбамид (мочевина) CO(NH2)2 – диамид уксусной кислоты. Его получают по реакции:
2NH3 + CO2 = CO(NH2)2 + H2O
Циан и его производные. Циан, точнее дициан C2H2 – бесцветный ядовит! Сгорает в кислороде; при нормальном давлении температура пламени достигает 4500 0С:
С2Н2 + 2О2 = 2СО2 + N2.
Циановодород HCN – бесцветная жидкость с характерным запахом горького миндаля. Очень ядовит! Смертельная доза – 50 мг HCN, продолжительность действия несколько секунд, HCN блокирует дыхание и вызывает удушье. Хорошо растворим в воде. Водный раствор HCN называется циановодородной (синильной) кислотой.
Цианиды – соли циановодорода, например, цианид натрия NaCN и цианид калия KCN хорошо растворимы в воде. Очень ядовиты, при хранении во влажном воздухе переходят в карбонаты с выделением циановодорода:
2KCN + H2O + CO2 = K2CO3 + 2 HCN.
Тиоцинат водорода HCNS (устаревшее название - роданистоводородная кислота) получают при кипячении растворов цианидов с серой:
KCN + S = KCNS.
HCNS образует соли – тиоционаты (ранее роданиды).
Кремний. Характеристика кремния
В отличие от углерода, кремний встречается в виде одной устойчивой модификации. Для кремния также характерна sp3-гибридизация электронных орбиталей. На внешнем электронном слое атома кремния есть валентные 3d-орбитали (Si: 3s23p23d0), что отличает структуру внешнего слоя атома кремния от атома углерода (С: 2s22p2). Вакантные 3d-орбитали могут участвовать в образовании связей, что сказывается на свойствах образуемых простых веществ: алмазоподобная модификация углерода – диэлектрик, а алмазоподобная модификация кремния – полупроводник.
Кремний – второй элемент по распространенности в атмосфере Земли (27,6%). Встречается только в связанном виде в различных горных породах и продуктах их выветривания, в виде оксидов и силикатов, из которых на 90% состоит земная кора.
Получение кремния:
1 В лаборатории кремний получают восстановлением диоксида кремния SiO2 магнием:
SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si
2 В промышленности для получения кремния, его диоксид восстанавливают углеродом в электрической печи:
SiO2 + 2C = Si + 2CO.
3. Кремний высокой частоты (полупроводниковый) получают восстановлением водородом соединений SiCl4, SiHCl3:
SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl,
       SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl а также термическим разложением силана.
Значительная доля земного метана образуется в толще океанической коры

(2.09.2019 • Кирилл Власов).
Американские геохимики предложили объяснение для механизма абиогенного синтеза метана в породах земной коры океанического типа. При охлаждении содержащих оливин габбро, базальтов и перидотитов происходит их растрескивание с последующим захватом флюидных включений. По мере остывания оливин реагирует с водой во включениях, что приводит к образованию новых минералов и водорода, который восстанавливает CO2 до метана. Этот метан затем может долго сохраняться во включениях, при случае выделяясь на поверхность. По оценкам ученых таким образом могла образоваться большая часть абиогенного метана на Земле.
Земная кора океанического типа образуется в зонах спрединга, в которых литосферные плиты раздвигаются, а базальтовые магмы поступают из верхней мантии на поверхность и при застывании формируют новую кору. Эта кора (в классическом случае медленно раздвигающегося срединно-океанического хребта) имеет простое слоистое строение (рис. 2). Сверху находится слой излившихся лав, под ним — дайки базальтов, еще ниже — габбро (интрузивный полностью раскристаллизованный аналог базальтов) магматической камеры с верлитами (оливин-клинопироксеновыми породами), на ее дне — слой «утонувших» кристаллов оливина (дуниты), а под ними — породы мантии из которых и выплавились базальты (перидотиты). От верхней мантии кору отделяет геофизическая граница Мохоровичича, характеризующаяся скачком скоростей продольных сейсмических волн.
Оливин (Mg, Fe)2SiO4 — один из основных минералов в базальтах, габбро и перидотитах. При взаимодействии с соленой морской водой, проникающей по трещинам, возникающим в остывающих породах, безводные оливины превращаются в другие — уже водосодержащие — минералы из группы серпентина. Самые распространенные из них — лизардит, антигорит и хризотил — имеют одну и ту же химическую формулу Mg3(Si2O5)(OH)4, но разные кристаллические структуры. Также образуются брусит Mg(OH)2, магнетит Fe3O4, причем реакция формирования последнего протекает с выделением водорода. Эти процессы, характерные для температур ниже 400°C, называют серпентинизацией. Попутно с минеральными реакциями происходит увеличение объема породы, так как кристаллы серпентина по объем больше чем кристаллы оливина. Это приводит к дальнейшему растрескиванию и способствует увеличению водного потока и интенсивности преобразования со временем. Трещины, образующиеся в кристаллах оливина, при температурах выше 400°C могут закрываться (как бы «залечиваться»), захватывая циркулировавший по ним раствор. Подобные растворы в геологии называют гидротермальными флюидами, а оставшиеся в кристаллах включения (то есть пузырьки жидкости и/или газа, застрявшие в кристаллах) — флюидными.
В земной коре много кислорода, поэтому наиболее распространенными соединениями во флюидных включениях являются вода и углекислый газ (рис. 3). Однако там, где кислорода меньше (то есть в восстановительных условиях), могут образовываться водород (H2) и метан (CH4). Такой метан называют абиогенным, чтобы подчеркнуть, что он сформировался без участия живых организмов. На ранних стадиях развития жизни он служил пищей метанотрофам и, возможно, повлиял на саму эволюцию живых существ. Сегодня почти весь земной CH4 имеет органическое (биогенное) происхождение: это обычный продукт жизнедеятельности живых существ. Метан считают косвенным признаком их присутствия и на других космических телах. Поэтому недавние сообщения о регистрации повышенной концентрации метана ровером «Кьюриосити» на Марсе (см., например, статьи Mars rover detects ‘excitingly huge’ methane spike и Curiosity's Mars Methane Mystery Continues) породили значительное количество споров о его источнике.
На Земле исследования метана, выделяющегося в ходе геологических процессов из трещин в породах земной коры, в районах подводных гидротермальных полей и щелочных источников, шли в основном в контексте его участия в биогеохимических циклах и влияния на климат. При этом детально механизмы абиогенной генерации метана до настоящего времени были исследованы довольно плохо.
Уже было известно, что метан может образовываться за счет реакции водорода, выделяющегося при серпентинизации пород океанического дна с CO2, но источник этого углерода был точно не известен. Недавнее исследование изотопных соотношений углерода, отобранных на подводном гидротермальном поле Фон Дамм (Von Damm vent field, см.: J. M. McDermott et al., 2015. Pathways for abiotic organic synthesis at submarine hydrothermal fields), установило, что водород, возникающий при химических реакциях во время циркуляции флюидов по трещинам пород, напрямую не приводит к образованию метана. Идея о том, что он может поступать из верхней мантии также является несостоятельной: она слишком окисленная для того, чтобы метан был стабилен, да и изотопные соотношения углерода показывают, что источником углерода для метана является морская вода (N. Grozeva, 2018. Carbon and mineral transformations in seafloor serpentinization systems). Требовался новый механизм, который, по некоторым предположениям, мог быть связан с возникающими в оливине флюидными включениями.
Этот механизм был обнаружен командой американских ученых во главе с Фридером Клейном (Frieder Klein) из Океанографического центра в Вудс Хоул (штат Массачусетс). Изучив включения в оливинах габбро и перидотитов, отобранных по всему миру (рис. 1), они нашли связь между метаном и водородом включений и другими минералами, также присутствующими в них. Детали процесса, примерные количества и влияние такого метана на глобальный планетарный баланс углерода были описаны ими в статье, вышедшей в недавнем выпуске журнала PNAS.
При анализе флюидных включений было замечено, что в гидротермальных системах основных пород (базальты, габбро) количество метана значительно меньше, чем в ультраосновных (перидотиты) — наблюдение, которое явно как-то было связано с самим неуловимым процессом. Для его установления была изучена коллекция микропрепаратов, состоящая из 43 образцов габбро и 117 образцов перидотитов. Флюидные включения были обнаружены во всех оливиновых габбро и в 77% перидотитов. В наиболее «богатых» образцах насчитывалось до 3×106 включений (размером от <100 нм до 30 мкм) на кубический сантиметр. В основном включения располагались цепочками и группами на месте залеченных трещин. Метан найден во включениях со всех точек отбора кроме трех, в которых был обнаружен только лишь водород 
Чтобы оценить количество метана в одном включении и в целом по породе, ученые определяли давление газа во включениях и их средний размер. Давление измерялось с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния по сдвигу одного из пиков метана и в среднем составило 11,5 МПа. Это число позволяет рассчитать количество метана в одном модельном включении, которое принято за сферу диаметром 10 мкм: оно составляет от 8,4×10−5 до 1,2×10−2 нмоль. При плотности 105 включений на см3 это даст 2,5–363 нмоль CH4/см3, что сопоставимо с ранее опубликованными анализами содержания этого соединения в природных образцах перидотитов (2–37 нмоль/г) и габбро (72–310 нмоль/г) (N. Grozeva, 2018. Carbon and mineral transformations in seafloor serpentinization systems).
Подсчитав содержание метана в перидотитах и габбро, таким образом, можно подвести баланс для всей океанической литосферы Земли. Если допустить, что перидотиты слагают 5% океанического дна и что в 77% перидотитов оливин составляет 75 вес.%, то равномерный километровый слой перидотитов с концентрациями метана, эквивалентными анализам природных образцов, будет содержать 2,5–367 Тг (тераграмм, то есть 1012 грамм) метана. Аналогично, если положить, что габбро встречается на 50% площади океанической коры, содержит 72 нмоль/г метана и в среднем имеет толщину 4 км, то содержание метана во всех габбро океанического дна составит 4,8 Пг (петаграмм, то есть 1015 грамм). По подсчетам авторов статьи, суммарное количество CH4 в океанической литосфере значительно превышает доиндустриальное содержание метана в атмосфере Земли, которое оценивается в 2 Пг (C. MacFarling Meure et al., 2006. Law Dome CO2, CH4 and N2O ice core records extended to 2000 years BP).
Для образования такого количества метана требуется эффективный и распространенный механизм, следы которого и были обнаружены во включениях (рис. 4). Кроме метана и водорода в них были найдены минералы группы серпентина, брусит и магнетит. Наиболее часто встречающаяся ассоциация серпентин-брусит-магнетит-метан-водород является прямым указанием на произошедший процесс серпентинизации при условиях близких к полностью закрытой системе. Ни в одном из включений не была обнаружена вода в виде отдельной фазы, однако, судя по итоговому набору минералов, она однозначно присутствовала при захвате включений и была израсходована в ходе реакций серпентинизации.
Чтобы восстановить процесс серпентинизации во всех деталях, необходимо выяснить температуры, при которых происходили разные этапы жизни включения. Оценка температуры захвата включений производилась, исходя из геодинамических и термодинамических принципов. Верхняя граница температурного окна захвата — 600–800°C. При этой температуре, которая меняется в зависимости от давления, пластичные деформации в кристаллах оливина сменяются на хрупкие, что дает возможность водному флюиду проникать по трещинам внутрь кристалла. В срединно-океанических хребтах такие температуры встречаются на глубинах от 2 до 8 км, что, вместе с циркуляцией морской воды по трещинам и раздвижением плит (рис. 6), создает условия для непрерывной генерации включений в каждой новообразованной порции океанической коры. В морской воде содержится и растворенный CO2, который также попадает во включения, — это источник углерода для будущего метана.
Реконструкция процесса взаимодействия оливина с морской водой при давлении 100 МПа и температурах от 600 до 25 градусов Цельсия происходила с использованием компьютерного термодинамического пакета EQ 3/6. Массовое соотношение «оливин:флюид» в модели составляло 5:1, а содержание растворенного в нем CO2 брали разным: 0,1, 1 и 10 ммоль/кг. Предыдущие эксперименты показывают, что оливин стабилен в присутствии водного флюида до ~400 градусов Цельсия — нижней границы формирования включений. А то, что было захвачено в интервале температур 800–400°C, при дальнейшем охлаждении начинает серпентинизироваться. Первая реакция — взаимодействие оливина с водой с образованием минералов группы серпентина:
3Mg2SiO4 + 2H2O + SiO2(aq) = 2Mg3Si2O5(OH)4.
Для успешного протекания этой реакции требуется наличие растворенного во флюиде кремния, но он обычно присутствует в гидротермальных растворах из-за их взаимодействия с породами, через которые они циркулируют. При дальнейшем охлаждении до 340°C начинает образовываться брусит:
2Mg2SiO4 + 3H2O = Mg3SiO4(OH)2 + Mg(OH)2.
Кроме магния в оливине также содержится железо. Частично оно входит в состав серпентина, но частично образует и свою фазу — минерал магнетит (Fe2+Fe3+2O4), при этом часть двухвалентного железа окисляется и выделяется водород:
2Fe2+O + H2O = Fe3+2O3 + H2.
Все эти три реакции идут до полного исчерпания H2O. По данным моделирования максимальное количество водорода и, соответственно, магнетита достигается к 300°C. Чем больше выделяется водорода, тем сильнее следующая реакция смещается в правую сторону — образуется метан:
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

Выделяющаяся вода расходуется на дальнейшую серпентинизацию и процесс продолжается до исчерпания реагирующих компонентов.

Судя по всему, описываемый процесс начался в архее одновременно с возникновением субдукции и спрединга (см.: Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019). При дальнейших преобразованиях породы при землетрясениях или метаморфизме образовывались новые трещины, вскрывающие включения, что приводило к выделению накопленного метана. Важно отметить, что в спокойных условиях включения могут сохраняться достаточно долго, и CH4 будет присутствовать, даже если от гидротермальной системы не осталось и следа, как, например, в офиолитах — фрагментах древней океанической коры, выдавленных на земную поверхность в ходе тектонических процессов. Так, образец из офиолита Жозефин (Josephine Ophiolite), изученный в обсуждаемой работе, сохранил включения с момента абдукции (наползания океанической коры на континентальную) в юрском периоде (A. Coulton et al., 1995. Oceanic versus emplacement age serpentinization in the Josephine ophiolite: Implications for the nature of the Moho at intermediate and slow spreading ridges). Возможно, именно такой метан, выделяющийся из включений в оливине, объясняет повышенные концентрации, наблюдаемые на Марсе: если на Марсе в настоящее время продолжается сейсмическая активность, что весьма вероятно (A.-C. Plesa et al., 2018. Present-day Mars’ seismicity predicted from 3-D thermal evolution models of interior dynamics), то не требуется даже никаких дополнительных механизмов его высвобождения, а наблюдаемые пики концентраций являются маркерами марсотрясений.
Вообще, описанный процесс, который хорошо объясняет образование метана в океанической коре, возможно экстраполировать даже на ледяные тела, вроде Европы и Энцелада, где взаимодействие оливина их каменных ядер с водой, в ходе которого могут образовываться включения, возможна даже при 200 градусах Цельсия, если в оливине достаточно железа (F. Klein et al., 2013. Compositional controls on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks). Выделяющийся метан не только будет присутствовать в атмосферах космических тел, но и сможет поддерживать существование метанотрофных одноклеточных организмов, так что точку в споре о связи метана с наличием жизни на других планетах ставить еще рано.
Источник: Frieder Klein, Niya G. Grozeva, and Jeffrey S. Seewald. Abiotic methane synthesis and serpentinization in olivine-hosted fluid inclusions // PNAS. 2019. DOI: 10.1073/pnas.1907871116»
(Кирилл Власов).

Твердые парафины (алканы)
1 февраля 2011
Алканы   С10   и выше при нормальных условиях — твердые вещества, входящие в состав нефтяных парафинов и церезинов.Деление твердых углеводородов на парафины и церезины было сделано на основании различия кристаллической структуры этих углеводородов, их химических и физических свойств. При одинаковой температуре плавления церезины отличаются от парафинов большими молекулярными массами, вязкостью и плотностью. Церезины энергично взаимодействуют с дымящей серной и хлорсульфоновой кислотами, а парафины с этими реагентами взаимодействуют слабо. Для исследования состава парафинов и церезинов была использована реакция нитрования. Азотная кислота с азоалканами образует третичные нитросоединения, а с н-алканами — вторичные нитросоединения. Методом нитрования показано, что в нефтяных парафинах содержится 25—35 % изоалканов, а в церезине — значительно больше. Появились сведения о присутствии в твердых углеводородах нафтеновых структур. Действительно, выделенные из петролатумов углеводороды имели более высокие значения показателя преломления, вязкости и плотности, чем парафины с той же температурой плавления.Нефтяные парафины представляют собой смесь преимущественно алканов разной молекулярной массы, а основным компонентом церезинов являются нафтеновые углеводороды, содержащие в молекулах боковые цепи как нормального, так и изостроения с преобладанием последних. Соединения, содержащие в длинной цепи алканового типа ареновые ядра, входят в состав церезинов в меньших количествах. Их соотношение определяется природой нефти, из "которой выделен церезин.
Данные о содержании парафинов в нефтях приведены в табл. 7.12.
Плотность парафинов в твердом состоянии лежит в пределах от 865,0 до 940,0 в расплавленном — от 777,0 до 790,0 кг/м3. Растворимость парафина в органических веществах невелика, за исключением сероуглерода, в котором растворяется 12 ч. парафина на 100 ч. В легком бензине растворяется 11,7 ч. на 100 ч.Температуры плавления индивидуальных компонентов парафина тем выше, чем больше их молекулярная масса. Самый низкоплавкий углеводород парафина — гексадекан (^пл 18°С). Природный парафин из нефти представляет собой смесь нескольких углеводородов и поэтому не имеет четкой температуры плавления.Установлено содержание н-алканов во фракции 350—540°С западносибирской нефти. Суммарное массовое содержание н-алканов С18 — С4о составило 4,3%  на фракцию.Наряду с н-алканами во фракциях с температурой кипения выше 300°С методом ГЖХ количественно определены 2- и 3-метилалканы, присутствующие среди однотипных изомеров в наиболее высоких концентрациях.В ряде нефтей Восточной Сибири найдена группа монометилзамещенных алканов—12-метилалканы С14 — С30 и 13-метилалканы С26 — С30. Концентрации углеводородов обеих серий равны. Их содержание в нефтях варьирует от 10 до 90 % от содержание н-алканов. Высокое содержание и особенности концентрационного распределения привели Ал. А. Петрова к мысли, что генезис этих углеводородов объясняется наличием в исходном нефтематеринском веществе циклопропанкарбоновой кислоты С25 (12,13-метилентетракозановой). Фактическая концентрация указанного реликта в других нефтях на порядок ниже, чем в нефтях Восточной Сибири.Твердые парафины вырабатываются обезмасливанием избирательными растворителями гачей, получаемых при производстве масел или парафиновых дистиллятов из парафинистых и высокопарафинистых нефтей. Парафин-сырец указанных марок (Bi — В4) характеризуется следующими показателями: содержание масла 1—2% температура плавления 52—55СС, температура  вспышки  в  закрытом  тигле  220 С.   Парафин-сырец подвергается   дополнительной   очистке   на установках  адсорбционной очистки или гидроочистки.Если обычный технический парафин, содержащий от 20 до 35 углеродных атомов преимущественно нормального строения, имеет температуру плавления, не превышающую 50—55°С, то температуры плавления разветвленных алканов той же молекулярной массы более низки. Молекулярные массы парафинов лежат в пределах от 300 до 450, а церезинов — от 500 до 750, что соответствует содержанию в цепи примерно от 36 до 55 углеродных атомов.Церезины встречаются в природе в виде твердых углеводородов некоторых нафтеновых нефтей. Примесь церезина в парафинах практически невозможно выделить.Церезин, выделенный из деасфальтированного концентрата туймазинской нефти, состоит в основном из циклоалканов и аренов с длинными алкильными цепями, образующих комплекс с карбамидом, а также с разветвленными цепями, не дающих комплекса. Циклоалканы этой нефти содержат в среднем два-три кольца в молекуле, а арены — от одного до трех колец.Имеющиеся данные о химическом составе церезина недостаточны. Некоторые авторы считают, что церезины состоят преимущественно из высокомолекулярных н-алканов. Однако в ряде работ утверждается, что церезины представляют собой циклоалканы с длинными боковыми цепями. Кроме того, они содержат разветвленные алканы, незначительные количества н-алканов и очень мало алканоаренов. В частности, твердые углеводороды петролатума карачухуросураханской нефти состоят в основном из циклоалканов, содержащих в молекуле до трех колец. С повышением температурных пределов перегонки фракций пертолатума уменьшается содержание циклоалканов с неразветвленной боковой цепью и увеличивается число колец, приходящихся на одну молекулу.Отличительный признак церезинов — мелкокристаллическая структура. Церезины состоят из более мелких кристаллов, чем парафин.Физические свойства церезинов во многом сходны со свойствами нормальных углеводородов. Показатель преломления для церезинов значительно выше, чем для парафинов.В химическом отношении церезины отличаются меньшей стойкостью, чем парафины.Из нефтей, содержащих церезин, они выделяются при продолжительном стоянии в виде черных осадков, включающих еще минеральные примеси и смолистые вещества. Нефтяные воски содержат 10—50 % нормальных алканов и до 40—90 % аренов, циклоалканов и разветвленных алканов.Таким образом, нефтяные парафины представляют собой смесь преимущественно н-алканов разной молекулярной массы, а основным компонентом церезинов являются нафтеновые углеводороды, содержащие в молекулах боковые цепи как нормального, так и изостроения с преобладанием последних. Твердые парафиновые и ароматические углеводороды входят в состав церезинов в меньших количествах, причем их соотношение определяется природой нефти, из которой выделен церезин.

[Устьянцев Валерий Николаевич]

«30. 03. 2009.
Испанские и французские астрофизики определили полосу в инфракрасном диапазоне, которая служит для отслеживания присутствия органических веществ, богатых кислородом и азотом в частицах межзвёздной пыли. Если какой-либо телескоп зафиксирует такую полосу, может подтвердиться присутствие в космосе аминокислот и других веществ, которые являются предшественниками жизни.
Гуиллермо Муноз, исследователь из Центра астробиологии Национального института аэрокосмической техники (ИНТА), утверждает: “Нам удалось доказать в лабораторных условиях, что органический материал, содержащий пребиотиеское вещество, известный как жёлтое вещество, обладает очень характерной полосой поглощения, которую можно искать в тех областях космоса, в которых присутствуют пылевые частицы, в попытке обнаружить подобные субстанции”.
Учёный объясняет, что пылевые частицы, которые часто наблюдаются в межзвёздных облаках и вокруг молодых звёзд, обычно “окружены крошечными оболочками льда, богатыми водой и другими простыми молекулами, такими как оксид углерода (CO), метанол (CH3OH) или аммиак (NH3), на которые падает свет и космические лучи”.
Муноз и его французский коллега Эммануэл Дартуа из Института космической астрофизики в Париже, воссоздали эти межзвёздные условия в лаборатории, смешав различные газы при очень низком давлении и температуре (-263ºC), а затем подвергли межзвёздный лёд воздействию излучения, которое формируется с помощью ультрафиолетового света. В результате образовалось жёлтое вещество, желтоватая субстанция, богатая углеродом, так же вместе с водородом, азотом и множеством кислородных соединений.
Это вещество состоит из большого числа органических молекул, таких как карбоновые кислоты, глицин и другие аминокислоты.
Полоса поглощения жёлтого вещества расположена в пределах 3.4 микрометров в средней инфракрасной области спектра, а когда она отображается на графике, её контур имеет две характерные вершины.
Это позволяет определить данную полосу в областях формирования планет, похожих на нашу солнечную туманность и объекты Солнечной Системы, считает Муноз. Более того, по его словам, синтез органических составляющих через облучение может указывать на присутствие этих веществ в кометах, таких как комета Галлея, и может объяснить изотопный состав углеродистого материала, который был обнаружен в межзвёздной пыли и типах метеоритов, богатых углеродом, известных как углеродистые хондриты.  До сих пор учёные не наблюдали инфракрасную полосу жёлтого вещества в межзвёздном пространстве, то же относится и к Солнечной Системе, но они утверждают, что причиной этому может быть ограниченность технического оборудования.
Что касается углеродистых хондритов и межзвёздной пыли, оба содержат углерод, который связан с изотопами тяжёлого водорода (прежде всего дейтерий 2H) и азотом (15N), характерными для химических реакций при очень низких температурах, таких как те, которые происходят при облучении льда, но тип метеоритного углерода отличается от жёлтого вещества.
Пребиотические вещества, которые образуются при облучении льда, теряют свои органические свойства и высокое содержание водорода, азота и кислорода, при нагревании более чем до 300 ºC; это происходит вблизи Солнца.
Космический модуль Розетта, принадлежащий Европейскому Космическому Агентству, попытается определить аминокислоты и другие молекулы, относящиеся к добиологическим, в ядре кометы 67P. Чурюмов-Герасименко, когда достигнет её в 2014» (infuture.ru).