2.2.4. Агрохимическое и химическое сырьё.
Некоторые неметаллические материалы,
используемые в промышленности

Основные виды этих минеральных ресурсов представлены в табл. 2.6. В первых двух строках содержатся данные по калийным и фосфорным минеральным удобрениям. Данные по третьему виду, очень важному для растений — азотным удобрениям, отсутствуют.

Это объясняется тем, что азотных удобрений природного происхождения на Земле крайне мало. Главное месторождение находится в Чили (натриевая селитра — $\text{NaNO}$3). Оно разрабатывается с середины 19 века и не может обеспечить потребности сельского хозяйства.

Основным источником почвенного азота является атмосфера, содержащая 4$\cdot 10^{15}$ тонн азота. Это колоссальное, невообразимое количество (480 тысяч тонн над каждым гектаром земной поверхности) снимает вопрос об исчерпании ресурсов азота для сельского хозяйства, однако его переработка в растворимые соединения, пригодные для питания растений, связана с огромными затратами энергии.

Процесс химической фиксации атмосферного азота был разработан только в 1914–1918 годах; до тех пор атмосферный азот поступал в почву исключительно в результате жизнедеятельности почвенных бактерий. К 1966 г. промышленное производство азотных удобрений достигло 19,5 а к 1979 г. — 54 миллиона тонн.

К сожалению (а может быть и к счастью? — ведь пары фосфора ядовиты), ни калия, ни фосфора в атмосфере нет и их приходится добывать из залежей. Содержание обоих элементов в земной коре велико: 9,3% фосфора и 2,5% калия. Но залежи минералов, содержащих эти элементы с более высокой концентрацией и в виде нужных (растворимых) химических соединений, не очень велики. Этих запасов может хватить на 300–400 лет, если добыча не будет расти, или на 50–100 лет, если рост добычи будет продолжаться (см. табл. 2.6). Реальность в настоящее время такова, что применение калийных и фосфорных удобрений растёт со скоростью 5–6% в год. Соединения калия в большом количестве растворены в морской воде и могут быть получены из неё при соответствующих энергозатратах или естественным путём из испаряющихся морских лагун. Именно таким путём образовалось большинство залежей калия (сильвинит $\text{KCl}$, карналлит $\text{KClMgCl}$276 H2O, каинит $\text{KClMgSO}$473 H2O). Прогнозы на добычу фосфорных удобрений в будущем не столь оптимистичны.

Перейдём к неметаллическим полезным ископаемым промышленного назначения. Для изготовления огромной номенклатуры изделий промышленность, помимо металлов, использует множество других материалов — дерево, пластмассы, сельскохозяйственные продукты (хлопчатник, лён, шерсть, кожи, технические культуры) и многое другое. В таблице 2.6 содержится всего несколько позиций неметаллического минерального сырья — только те важнейшие полезные ископаемые промышленного назначения, которые имеют особенно большое значение и добываются в крупных масштабах. Рассмотрим эти минералы в том порядке, в каком они содержатся в табл. 2.6.

В 3-й строке приведены сведения об алмазах. Они встречаются в виде самородков и в россыпях. Природный алмаз — это невзрачный камешек, мимо которого Вы пройдёте равнодушно, не утруждая себя тем, чтобы нагибаться и что-то там поднимать. Впрочем, крайне маловероятно, что такое событие произойдёт на улицах Нью-Йорка или Москвы. Алмаз — редчайший дар Природы. Его коренные месторождения — это кимберлитовые трубки, образовавшиеся в жерлах древних вулканов; их очень немного на Земле. В породу таких трубок в очень небольшом количестве вкраплены алмазы. Алмазные россыпи — это, вероятно, результат длительной геологической работы по разрушению и выветриванию трубок. Редкость алмазов можно проиллюстрировать следующим. Из нескольких сотен кимберлитовых трубок в 30–40 могут встретиться алмазы, но обычно их так мало, что не стоит даже начинать разработку. Только 10–15 трубок окажутся достаточно богатыми для рентабельной добычи. В самых богатых из них в 5 тоннах кимберлитовой породы будет около 1 грамма алмазов, большинство из них очень мелкие, непригодные для ювелирных изделий. Поистине добыча алмазов хуже поисков иголки в стоге сена. К тому же кимберлитовая порода довольно твёрдая, лопатой её не возьмёшь.

Будучи обработанными — огранёнными, отшлифованными и отполированными, алмазы превращаются в бриллианты, которые очень хорошо смотрятся в коронах императоров, миртах епископов, а также на шее прекрасных дам благородного происхождения или хотя бы богатых.

Благодаря редкости и высокой стоимости, а также возможности длительного хранения, алмазы стали использоваться наравне с золотом в качестве сокровища — средства для хранения накопленных богатств. Украшения и сокровище — это было основной функцией алмазов на протяжении многих веков и тысячелетий. Однако возникает вопрос: при чём тут промышленность?

Дело в том, что алмаз, состоящий просто из чистого углерода, представляет собой кристалл с такой структурой, которая сделала его самым твёрдым материалом на Земле. Эта структура образовалась в особых условиях, на глубине 100–150 км при высоких давлениях и температурах и медленном остывании после выноса магмы на поверхность.

Вскоре после изобретения и широкого распространения стекла, ещё в средние века, алмазы стали применять для резки стекла. Это было первой «рабочей», производственной функцией алмазов. С появлением твёрдых сплавов встал вопрос об их обработке. Для этого были необходимы ещё более твёрдые материалы, и тут алмаз оказался как раз кстати. Его стали применять в резцах, фрезах, свёрлах, напильниках — вообще, в инструментах для механической обработки твёрдых металлов и сплавов. Для этих целей не нужны бриллианты, успешно используются мелкие технические алмазы, даже алмазный порошок.

Получаются хотя и дорогие, но очень стойкие режущие инструменты, которые могут работать на больших скоростях, обеспечивают высокую точность и чистоту обрабатываемой поверхности. Проникновение алмазов в металлообработку происходило с середины 20 столетия, и к его концу от алмазов стал зависеть промышленный потенциал государств. В конце 19 и до середины 20 столетия основным поставщиком алмазов был Южно-Африканский Союз (теперь ЮАР). Эта роль принадлежит ему и поныне. Однако были предприняты энергичные поиски коренных месторождений алмазов в других регионах; они увенчались успехом. Кимберлитовые трубки были обнаружены в Якутии и некоторые из них оказались алмазоносными. Затем последовали открытия в Австралии, других местах, правда, не очень крупные.

Запасы и добычу алмазов выражают не в тоннах, даже не в килограммах, а в каратах (0,2 грамма). В этих же единицах выражают размер (вес) ювелирных камней. Цены на технические алмазы непрерывно растут (на 20–30% в год). В 1976 году они составляли около 20 долларов США за 5 карат (дороже золота). Цена обработанных ювелирных камней во много раз выше, причём стоимость алмаза или бриллианта с увеличением размера растёт совсем не пропорционально его весу, а во много раз быстрее. Даже небольшой камешек в 4–5 карат, стоящий 1000 долларов — это громадное состояние для негра (или белого), работающего поистине в поте лица под палящим африканским солнцем на дне кимберлитового карьера. Но всё равно, ищут и иногда находят. Впрочем, до самого труженика доходит лишь незначительная часть стоимости, остальное оседает в руках цепочки перекупщиков. Но ведь такое происходит не только с алмазами, не так ли?

Ввиду роста и неудовлетворённости спроса на технические алмазы и особой их важности уже давно предпринимались попытки воспроизвести природные условия, в которых создавались алмазы. Это долго не удавалось, но в 1955 году всё же был осуществлён синтез искусственных алмазов в лабораторных условиях, в специальных реакторах, выдерживающих высокое давление и температуру (США, компания Дженерал Электрик). После этого начался выпуск искусственных алмазов для промышленных нужд в ряде стран (Швеция, ЮАР, Япония, Ирландия, СССР). Ювелирных алмазов искусственным путём пока получить не удаётся.

В связи с освоением промышленного производства искусственных алмазов, вопрос об исчерпании их природных ресурсов не стоит.

За алмазами в табл. 2.6 следует графит. Это — родной брат алмаза; оба состоят из чистого углерода. Но ни по виду, ни по свойствам они друг на друга не похожи. Графит — очень мягкий материал чёрного цвета, достаточно распространённый в природе. Его достоверные запасы составляют 25 млн. тонн, но в действительности они, по-видимому, намного больше. Графит применяется при изготовлении химической посуды и футеровочных плит, в качестве наполнителя в некоторых пластмассах, при изготовлении карандашей, в атомных реакторах для замедления нейтронов. Существующих запасов графита может хватить на 50–500 лет, в зависимости от реальных ресурсов и темпов добычи. Без особого труда графит может производиться промышленно, разумеется, с соответствующими затратами энергии.

Любопытно, что тот же углерод образует ещё одну модификацию — уголь, не имеющий кристаллической структуры. Природные залежи каменного угля, в отличие от алмаза и графита, образовались из остатков живых организмов. Вообще, удивительны свойства углерода. Наряду с тремя такими минералами, как алмаз, графит и уголь, он является основой жизни, формируя длинные цепочки молекул ДНК (см. т. 1, гл. 4) и входит как существенная часть во все белковые соединения.

Следующие 5 строк табл. 2.6 относятся к достаточно известным, распространённым в природе и широко используемым в промышленности минералам. Это асбест, слюда, тальк, плавиковый шпат (флюорит) и бор. Мы не будем на них останавливаться, отметим только любопытные формы, в которых кристаллизуются асбест и слюда. Оба они — хорошие электро- и теплоизоляторы (особенно слюда), поэтому они присутствуют в Вашем домашнем утюге. Асбест состоит из тончайших длинных волокон, но для пряжи и вечерних туалетов он всё же не пригоден, разве что на костюм пожарного (это и правда одно из его применений). Слюда разделяется на крупные, тонкие пластины, полупрозрачные, а если нет примесей, то чистые и прозрачные. В прежние века, когда ещё не умели делать стекло, слюдяные пластины вставляли в окна.

Последние 4 строки, завершающие табл. 2.6, относятся к минеральному сырью для химической промышленности; это сера $\text{S}$, каменная соль $\text{NaCl}$ — та самая, без которой наша пища будет пресной и невкусной, кальцинированная сода (карбонат натрия, $\text{Na}$2CO3) и сульфат натрия $\text{Na}$2SO4. Всё это очень полезные минералы: в хозяйстве без них не обойтись, в химической промышленности — тем более.

Натриевые соли, содержащиеся в 11–13 строках таблицы, добываются из осадочных отложений, некогда образовавшихся из морской воды. Общие запасы их неизвестны, но ясно, что очень велики. При необходимости они могут быть пополнены из морской воды. Поэтому данные о запасах (и добыче) в этих строках пропущены.

Сера содержится во многих соединениях с металлами (например, пирит $\text{Fe}$2S2) и сульфатах, которые, как и натриевые соли, образовались из морских отложений. Но встречается также и чистая, самородная сера, которая образуется при охлаждении вулканических газов. В 10-й строке таблицы содержатся данные о запасах и добыче именно самородной серы. Запасы очень невелики и скоро будут исчерпаны.

Не следует, разумеется, думать, что химические предприятия ограничиваются 4-мя минералами, содержащимися в табл. 2.6. Они используют тысячи, может быть десятки тысяч веществ минерального, искусственного, растительного, животного происхождения и вырабатывают из них не меньшее, а много большее количество различных продуктов — от губной помады до очищенного плутония в атомной бомбе. Химическая индустрия — один из устоев современной цивилизации. Но при этом химические заводы занимают большие площади, потребляют очень много энергии и воды, интенсивно загрязняют окружающую среду — почву, реки, воздух. Во многих случаях химическое производство сопряжено с повышенной вредностью, а то и прямой опасностью для персонала. Воистину, химические заводы — это наше благо и наше бедствие.