Бензин

Автовождение подарило нам свободу жить и работать, как нам нравится. Где б мы были без нефти и достижений в очистке бензина? Но бензин - топливо, которое, вероятно, сильнее всего повлияло на изменения климата и на загрязнение атмосферы Земли.

В усредненный день 2013 года жители США потребляли девять миллионов баррелей бензина. Допустим, дело было 1 января. На следующий день, 2 января, США потребили еще девять миллионов баррелей, то же — и третьего. Так прошло 365 дней, пока за год не вышло более трех миллиардов баррелей — и это в одних лишь США.

Основную часть этого умопомрачительного объема слопали двигатели внутреннего сгорания автомашин, которые совокупно проехали за это время 4,8 триллиона километров. Теперь представьте, что всего 150 лет назад никаких машин не было (не считая паровых), бензиновый двигатель внутреннего сгорания еще даже не изобрели, а первая нефть всего лет пять как была добыта. Расцвет автомоторов на бензине превзошел даже самые смелые ожидания.

Жажда топлива

Даже в начале XX века в США было всего 8000 зарегистрированных автомобилей, и все они ползали на скорости ниже 32 км/ч. Но нефтяная лихорадка уже началась, и нефтяные магнаты вроде Эдварда Доэни — он стал прототипом персонажа, которого сыграл Дэниэл Дей-Льюис в фильме «Нефть» (2007), — уже начали сколачивать свои миллионы. «Панамериканская нефтяная и транспортная компания» Доэни в 1892 году пробурила в Лос-Анджелесе первую в США скважину. К 1897-му их уже было 500.

Дэниэл Дэй-Льюис

Потребность в бензине росла быстрее, чем знание о нем химиков. В 1923 году Карл Джонс из компании «Стэндэрд Ойл», Нью-Джерси, писал в журнал «Промышленная и инженерная химия», что в этой области ведется прискорбно мало исследований. Меж тем голливудские звезды и нефтяные миллионеры, в том числе и Доэни, катались на дорогих автомобилях. Сын Эдварда Нед купил своей жене машину, спроектированную в мастерских «Эрл Отомобайл». Она была стального серого цвета с кожаным красным салоном и лампами от «Тиффани». Главный дизайнер «Эрл Отомобайл» позднее присоединился к «Дженерал Моторз», возглавил там отдел декора и цвета и разработал стили «кадиллака», «бьюика», «понтиака» и «шевроле».

Пылкие амбиции

Благодаря возраставшему спросу на автомобили и решимости Генри Форда удовлетворить его при помощи конвейерного массового производства автозаправки начали возникать возле проезжих дорог по всей стране. Развитие процессов очистки нефти, в том числе и крекинга, вскоре позволило производителям бензина добиваться качественных смесей горючего, на котором моторы работали глаже.

«Находил я золото, находил и серебро... Но я понял, что эта мерзкая на вид субстанция - ключ к кое-чему куда более ценному, чем эти металлы» Эдвард Лоренс Доэни (1856-1935), американский нефтяной магнат

Горючее в бензобаке вашей машины сегодня содержит сотни различных веществ, в том числе и смесь углеводородов, а также добавки против детонации, ржавчины и замерзания. Углеводороды — понятие растяжимое и покрывает собой громадное множество линейных, разветвленных, циклических и ароматических соединений. Химический состав компонентов бензина отчасти зависит от того, где добыли исходную нефть. Сырая нефть в разных точках планеты имеет разные свойства, а еще разные нефти смешивают между собой.

В двигателе внутреннего сгорания бензин горит на воздухе, то есть горение происходит с участием кислорода, в результате получается диоксид углерода. Например:

C₇H₁₆ + 11O₂ → 7СO₂ + 8Н₂O

гептан + кислород  → диоксид углерода + вода

Это пример реакции окисления-восстановления, поскольку атомы углерода в гептане окисляются, а кислород восстанавливается.

Незадача с выхлопом

Всего несколько десятков лет назад в бензин, чтобы он не детонировал прежде, чем доберется до рабочих частей двигателя, добавляли тетраэтилсвинец, и благодаря этому сгорание топлива происходило эффективнее. Но добавка тетраэтилсвинца сообщала выхлопу дополнительную ядовитость: тетраэтилсвинец реагировал с другой добавкой, 1,2-дибромэтаном, который не позволял свинцу скапливаться в двигателе, в результате получался вредный бромид свинца. Бензин со свинцовой присадкой начали вытеснять уже в 1970-х, а производители бензина взялись искать способы получения гладко горящего высокооктанового топлива, на литре которого можно было бы проехать больше километров.

Помимо этой беды, по мере шквального развития автомобильной промышленности в XX веке возникла и другая: выхлоп углекислого газа в атмосферу попросту зашкалил. Концентрации других загрязнителей тоже подскочили, поскольку энергия, генерируемая двигателем автомобиля, втягивает в реакцию и другие компоненты воздуха. Азот реагирует с кислородом, получается смесь оксидов азота, от которых образуется смог и происходят всякие легочные заболевания. Примерно половина всех азотнокислых выбросов — из-за автотранспорта.

Химические решения

Сокращение выхлопа стало у производителей автомобилей приоритетом, им приходится подчиняться все более строгим нормативам. Промышленники обдумывают возможности электрических и гибридных машин, но решения по-прежнему требуются и для обычного бензинового (и дизельного) автотранспорта. Трех миллиардов баррелей бензина, сжигаемых ежегодно в одних только США, хватит, чтобы заполнить двести тысяч олимпийских бассейнов. На каждого американца приходится по 3,8 литра бензина в день. Катализаторы для конвертеров, ловушки для оксидов азота и другого выхлопа — активнейшие области химических исследований.

С развитием химии стало возможно производить более эффективные топлива, что, в свою очередь, позволило водящим автомобиль путешествовать дальше и дешевле. Ныне химии приходится иметь дело с последствиями: атмосфера задыхается от выхлопных газов, а ресурсы, благодаря которым мы катаемся туда и сюда ежедневно, истощаются.

Бензол

Бензол - циклический углеводород, получаемый в процессе очистки сырой нефти. Это важное для промышленности вещество - оно применяется при производстве пластмасс и лекарств. Бензольное кольцо из шести углеродных атомов - устойчивая конструкция, входит в состав громадного числа природных и синтетических веществ под названием «ароматические углеводороды». Парацетамол и аспирин, равно как и корица и ванилин - примеры ароматических веществ, производных бензола. Бензол сам по себе - канцероген, и его содержание в бензине строго контролируется - во избежание опасных выбросов в атмосферу. Улучшение качества катализаторов дожига сыграло важную роль в уменьшении бензольного выхлопа.

Октановое число

Октановое число бензиновой смеси или отдельного компонента бензина - мера эффективности горения. Октановое число измеряется по сравнению с 2,2,4-триметилпентаном (его по старинке называют «изооктаном»), октановое число которого приравнивают к 100, и с гептаном, у которого октановое число - нуль. Компоненты бензина с низким октановым числом обычно и «стучат» в двигателе - детонируют.