Опасные гидраты и где они обитают
В своё время меня очень впечатлил рассказ американского писателя Джека Лондона «Костёр». На всякий случай, если вы его не читали, не буду раскрывать сюжет. Скажу лишь, что в нём излагается история путешественника, который столкнулся с суровой природой самого севера Америки. Герой, во многом благодаря собственной беспечности, вынужден был вступить в смертельную схватку с беспощадным арктическим морозом. Природа в рассказе Лондона, написанном в 1902 году, представлена если не в качестве главного врага (как-никак герой по собственной воле полез зимой в самое сердце Юкона), то, по крайней мере, в роли «антагониста номер два».
Теплее, ещё теплее — нет, не надо
Потепление климата на планете связывают с ростом в атмосфере количества парниковых газов. Парниковыми газами называют те летучие вещества, молекулы которых хорошо поглощают инфракрасную часть спектра солнечного излучения и, как следствие, хорошо нагреваются, «прогревая» заодно атмосферу и делая климат на Земле более тёплым.
Наибольший вклад в парниковый обогрев атмосферы Земли вносит водяной пар, но напрямую влиять на его количество мы не в состоянии. А вот добавить в воздух «лишнего» углекислого газа человечеству вполне по силам. Углекислый газ (СО2) — главный парниковый газ, к которому сейчас приковано внимание. Вся наша современная цивилизация основана на том, что мы черпаем энергию, сжигая ископаемое топливо — уголь, природный газ и нефть, другими словами, углеродное топливо. Поскольку при сжигании чего-либо, содержащего углерод, образуется углекислый газ, то чем больше мы жжём угля и углеводородов, тем больше в воздухе СО2 и тем теплее климат.
Но углекислый газ — не единственный из парниковых газов. Следующий за ним по важности — обычный природный газ метан (СН4). Добыть и транспортировать его стоит большого труда и больших денег. Но разве газодобывающие компании настолько беспечны, что позволяют ценному продукту просто так улетать в воздух? Конечно нет, поэтому утечки из газопроводов сравнительно невелики.
Один из основных источников «лишнего» метана в воздухе — сельскохозяйственная деятельность. Дело в том, что существует большая группа микроорганизмов (их ещё называют метаногенами), способных синтезировать метан как продукт собственной жизнедеятельности. Например, такие микроорганизмы живут в кишечнике жвачных животных. Так что стада коров по всему миру вносят вполне ощутимый вклад в рост количества парниковых газов, хотя и не они главный источник и главная опасность «метанового» потепления.
Чтобы понять, где находится «метановая бомба» и что может привести её в действие, присмотримся повнимательнее к свойствам метана и ещё одного простого вещества — воды. При обычных условиях вода — это всем известная жидкость, а метан — газ. Можно очень-очень небольшое количество метана растворить в воде или, к примеру, заморозить пузырьки газа во льду. Без какого-то особого воздействия эти два вещества совсем «не горят желанием» ни вступать в реакции друг с другом, ни даже просто физически смешиваться. Но всё меняется, если они окажутся под относительно высоким давлением (примерно в 30 раз больше атмосферного) и при температуре близкой к 0оС. Несмотря на то, что по отдельности при таких условиях метан остаётся газом, а вода жидкостью, вместе они образуют твёрдую массу, чем-то похожую на плотный снег или рыхлый лёд. Называется такое не совсем обычное химическое соединение «гидрат метана».
Заглянем внутрь гидратной клетки
Химики часто говорят, что структура вещества определяет его свойства. В случае с гидратом метана это верно на все сто процентов. При образовании гидрата метана между молекулами метана и воды не происходит никаких химических реакций. Каждая из молекул остаётся «сама собой», зато меняется порядок организации этих молекул в пространстве. В гидрате молекулы воды образуют структуру с множеством пустот-ячеек, в которых, как в клетках, оказываются молекулы метана. Подобные структуры иначе называют «гость-хозяин». «Хозяин», как нетрудно догадаться, это вода, а «гость» — метан. На одну молекулу углеводородного «гостя» приходится примерно шесть молекул водных «хозяев».