Чтобы узнать состав нефти, нужно растворить её в воде

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 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.

Самые свежие новости медицины на нашей странице в Вконтакте

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>