Понедельник | Октябрь | 21 | 2019
Домой / Интересное / Чтобы узнать состав нефти, нужно растворить её в воде Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти. Нет ничего проще, чем узнать стоимость нефти – достаточно лишь открыть страничку с текущими котиров

Чтобы узнать состав нефти, нужно растворить её в воде Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти. Нет ничего проще, чем узнать стоимость нефти – достаточно лишь открыть страничку с текущими котиров

Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти.

Мы ежегодно добываем миллионы тонн нефти, но до сих пор мало знаем о её химическом составе.Фото: Roy Luck/Flickr.com CC BY 2.0

Нет ничего проще, чем узнать стоимость нефти – достаточно лишь открыть страничку с текущими котировками всем известной марки Brent. Но вот с тем, чтобы узнать, из каких химических веществ состоит чёрное содержимое барреля, будут большие проблемы. 


Собственно говоря, мы до сих пор не знаем, из чего состоит нефть, потому что в её состав входят, пожалуй, миллионы, если не миллиарды различных соединений. Выделить сотни или даже тысячи отдельных веществ вполне возможно, но это будет лишь крошечная капля в большом нефтяном море. Чувствительности даже самых современных аналитических приборов не хватает, чтобы разложить состав нефти по молекулам, хотя исследователи и не оставляют таких попыток.


Чтобы наглядно понять, в чём состоит проблема, сделаем небольшое отступление буквально к азам органической химии. Нефть и природный газ часто называют углеводородами, хотя с формальной точки зрения это и не совсем верно. Углеводороды – это вещества, состоящие только из двух видов атомов: углерода и водорода, в то время как в нефтяных веществах есть ещё, как минимум, атомы кислорода, серы и азота.

Но вернёмся к углеводородам. В самом простом случае их можно представить в виде конструктора: углеродный «кубик» может соединяться с четырьмя другими кубиками, а водородный – только с одним. Беря разное количество кубиков и по-разному их соединяя, можно конструировать разные объекты, а по сути – разные молекулы. Например, четыре углерода можно соединить двумя способами: выстроить их все в одну цепочку или сделать из них «веточку». Из пяти углеродов получится уже три разные конструкции, из шести – пять и т.д. Если же мы возьмём двадцать углеродов, то количество разных способов соединения перевалит за 300 000. Добавим ещё десяток деталей конструктора, и это число будет уже больше четырёх миллиардов. И это, как мы заметили в начале, без учёта возможности добавлять в наш набор элементы других типов. Но не всё так безнадёжно.

Если отбросить перфекционизм и отказаться от идеи выписать в столбик каждое вещество из состава нефти в отдельности, то можно попробовать разделить все вещества по каким-нибудь группам, что тоже весьма полезно. Например, определить соединения, у которых есть какой-нибудь общий фрагмент структуры. Тогда вещества, в строении молекул которых будет этот фрагмент, будут проявлять схожие химические свойства. Один из методов, с помощью которого можно это сделать – это масс-спектроскопия с изотопным замещением. Суть его состоит в следующем.

Изотопы одного химического элемента имеют разную массу. Например, есть водород с массой 1, а есть водород массой 2, его ещё называют дейтерий. Аналогично и кислород: существуют атомы с массой 16 и с массой 18. С химической точки зрения молекулы, содержащие изотопы, практически не отличаются, но, очевидно, отличается их масса.

Следующий важный момент касается того, где конкретно в структуре молекулы находится тот или иной атом – от этого будет зависеть то, как он будет вступать в химические реакции. Двигаемся дальше. Можно ли заменить атом в молекуле на его изотоп? Можно, фактически это будет самая настоящая химическая реакция: один атом из состава молекулы уходит, и на его место встаёт другой, а как мы уже говорили, эффективность таких процессов зависит от того, в составе какой структуры находится этот атом.

Поэтому, если поместить смесь веществ, содержащих, скажем, в своём составе лёгкий кислород-16 в среду, насыщенную тяжёлым кислородом-18, то в одних молекулах тяжёлый кислород заместит лёгкий, а в других – нет. Даже если в составе одной молекулы есть несколько атомов кислорода, то одни из них могут заместиться, а другие останутся неизменными.

Естественно, что если в молекуле лёгкий кислород заместился тяжёлым, то масса всей молекулы изменится в большую сторону. И такие изменения можно фиксировать с помощью масс-спектроскопии. А теперь перейдём к нефти и, собственно, к тому, что сделали исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ. Они предложили провести реакцию изотопозамещения соединений нефти с водой – не простой, а в составе которой есть тяжёлый кислород и тяжёлый водород.

Идея отличная, кроме одной проблемы – нефть и вода, как известно, не смешиваются. Чтобы решить эту проблему, исследователи воспользовались одной хитростью – создали сверхкритическую жидкость. Не углубляясь в теорию, которой сегодня и так уже было слишком много, скажем лишь, что любая жидкость, в том числе и вода, становится сверхкритической при высоком давлении и температуре. Особенность этого состояния в том, что у вещества пропадает граница перехода между жидкостью и газом – возникает нечто среднее, и у этого среднего появляются очень интересные свойства. Например, сверхкритическая вода уже способна растворять нефть!

В результате получился простой и эффективный способ узнать о наличии некоторых групп веществ в составе сырой нефти. Плюсом такой методики, помимо минимума необходимых реагентов (а нужна всего лишь изотопозамещённая вода) служит возможность её гибкой «настройки» – в зависимости от подобранных условий можно менять эффективность изотопного обмена для разных структурных фрагментов, тем самым смещая фокус внимания на группы тех или иных соединений.

По материалам МФТИ и Analytical and Bioanalytical Chemistry



Источник

Проверьте также

«Большой переполох в маленьком Китае»: Обзорщик сравнил Geely Atlas и Haval F7

Оба кроссовера из Поднебесной, убежден блогер, смело можно рекомендовать к покупке. Начать он решил с …