скачать

Реферат на тему:

Изотопы углерода

План:

Введение

• 1 Таблица изотопов углерода
• 2 Стандарты изотопного состава углерода
• 3 Фракционирование изотопов углерода в природе

Введение

Изото́пы углеро́да - разновидности атомов (и ядер) химического элемента углерода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Углерод имеет два стабильных изотопа - 12 C и 13 C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от 8 C до 22 C), из которых один - 14 C - встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10 −12). Углерод - лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование).

Изотоп 14 C образуется при облучении 14 N нейтронами по следующей реакции:

Изотоп углерода 14 C образуется в атмосфере из атмосферного азота под действием космического излучения. С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в земной коре.

Измерение радиоактивности органических веществ растительного и животного происхождения, обусловленной изотопом 14 C, применяется для радиоуглеродного анализа возраста старинных предметов и природных образцов. В живом организме 14 C находится в равновесии с окружающей средой. После гибели организма он перестаёт обмениваться углеродом со средой, и содержание 14 C начинает медленно уменьшаться (его период полураспада равен 5,70±0,03 тыс. лет). Измеренная удельная активность 14 C в образце может быть однозначно связана с временем, прошедшим с момента гибели организма.

1. Таблица изотопов углерода

2. Стандарты изотопного состава углерода

Для описания изотопного состава углерода применяется стандарт PDB, название которого происходит от белемнитов из формации Peedee в Южной Каролине (США). Эти белемниты были выбраны в качестве стандарта по причине очень однородного изотопного состава.

3. Фракционирование изотопов углерода в природе

В природе разделение изотопов углерода интенсивно происходит при относительно низких температурах. Растения при фотосинтезе избирательно поглощают лёгкий изотоп углерода. Степень фракционирования зависит от биохимического механизма связывания углерода. Большинство растений интенсивно накапливают 12 C, и относительное содержание этого изотопа в их составе на 15-25 ‰ выше, чем в атмосфере. В то же время злаковые растения, наиболее распространённые в степных ландшафтах, слабо обогащены 12 C и отклоняются от состава атмосферы лишь на 3-8 ‰

Фракционирование изотопов углерода происходит при растворении CO 2 в воде и его испарении, кристаллизации и т. п.

Большое число научных работ посвящено изотопному составу углерода алмазов.

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии . Синхронизация выполнена 14.07.11 07:09:28
Похожие рефераты:

Разобраться в работе такого сложного устройства, как наш организм, бывает совсем непросто. Чтобы найти неисправность, у нас берут кровь, облучают рентгеновскими лучами, заставляют глотать «кишку», отщипывают кусочки наших тканей на анализ и делают много других неприятных манипуляций. Между тем в последние 20 лет появились тесты на различные заболевания, похожие на те, что описывают в научно-фантастических романах. Человек выпивает стаканчик сока, потом выдыхает в трубочку и получает заключение врача. Но это не научная фантастика - во многих странах стали почти рутиной тесты со стабильным изотопом углерода 13 С. Больному дают выпить раствор препарата, в состав которого входит изотоп 13 С, и по содержанию 13 СО 2 в выдыхаемом воздухе определяют состояние того или иного органа - просто, точно и безопасно. Наконец созданы и российские препараты для такой диагностики.

Как это работает

Изотоп углерода 13 С отличается от привычного по школьным задачкам изотопа 12 С тем, что у него в ядре есть лишний нейтрон и оно чуть тяжелее. Но для нас главное, что этот изотоп - стабильный, как и 12 С, а значит, абсолютно безопасный: не распадается и ничего не излучает. В природе он встречается повсюду наряду с обычным изотопом, но доля его около 1%. По его содержанию можно определить, в какой части земного шара рос тот или иной продукт («Химия и жизнь», 1999, №11–12). В теле любого человека доля 13 С приблизительно та же; поэтому все мы содержим примерно по 200 граммов этого изотопа. Что же происходит, когда мы добавляем 13 С извне?

Состояние организма при этом не меняется, идут те же биохимические реакции, что и всегда. Но после того как пациент проглотил специальное вещество, содержащее изотоп 13 С в определенном положении молекулы, оно тоже подвергается биохимическим превращениям (метаболизму), и в результате образуется 13 СО 2 . Кровь переносит молекулы углекислого газа в легкие, и его можно зарегистрировать в выдохе с помощью специализированных приборов (масс-спектрометров или ИК-анализаторов). Конечно, для каждого органа нужен свой препарат с меткой 13 С, поскольку в разных органах происходят совершенно разные биохимические реакции.

Классический пример - уреазный дыхательный тест, с помощью которого можно определить, заражен ли желудочно-кишечный тракт бактерией Helicobacter pylori . Эта бактерия - главный виновник язв, гастритов и даже рака желудка (за это открытие Барри Маршаллу и Роберту Уоррену в 2005 году была присуждена Нобелевская премия). Поэтому если человек приходит в кабинет гастроэнтеролога с жалобами, то первое, что ему должны сделать, - тест на H. pylori . Уреазный тест работает так: больному дают выпить раствор мочевины, содержащей 13 С. Если зловредная бактерия есть и она активна (а может быть и неактивной), то ее фермент уреаза разлагает мочевину до 13 СО 2 и аммиака (рис. 1). Через 20 минут больной выдыхает в пробирку, ее подсоединяют к прибору, и, если уровень 13 СО 2 в выдыхаемом воздухе выше, чем в норме (~1,1%), значит, надо бороться с хеликобактером. В 1996 году американский Комитет по контролю качества пищевых продуктов и лекарств (FDA), а также аналогичная организация в Евросоюзе (EMA, European Medicines Agency) приняли уреазный тест в качестве «золотого стандарта» диагностики H. pylori . Надо признать, это гораздо более щадящее исследование по сравнению с гастроскопией (глотанием зонда) и биопсией (отщипыванием кусочка тканей желудка).

Еще один пример - болезни печени, в частности цирроз. Для того чтобы узнать, как работает печень, нужен другой маркер - метацетин, содержащий изотоп 13 С. Печень разрушает его также с выделением 13 СО 2 (см. реакцию ниже). Если понаблюдать за изменением во времени содержания 13 СО 2 в выдохе пациента после приема этого 13 С-препарата и сравнить его с такой же зависимостью для здорового человека, то можно судить не только о наличии заболевания, но и о том, как далеко оно зашло. Этот метод фармокинетики (она изучает метаболизм лекарств) используют в большинстве тестов. Обнаружить заболевание на ранней стадии тем более важно, что в этом часто единственный шанс на излечение (например, если речь идет о раке). Фармакокинетические зависимости 13 С-метацетина (рис. 2) позволяют с высокой точностью определить параметры печени, оценить, как быстро она выводит токсины, и даже ее массу, что существенно после операции, когда часть этого жизненно необходимого органа удалена. Фактически метод показывает, как работают ферментные системы печени. Математические модели, разработанные российскими учеными, позволяют различать все степени циррозов (а их четыре), гепатита и других заболеваний.

Что могут «метки»

С помощью различных 13 С-препаратов можно обнаружить не только заболевания желудка и печени, но и кишечника, поджелудочной железы, болезни кровеносной, эндокринной и легочной систем, центральной нервной системы, а также опухоли (рис. 3).

Октаноат натрия и каприловую кислоту с 13 С-меткой применяют, чтобы исследовать перистальтику желудка и получать другие 13 С-препараты. Бикарбонат натрия используют для определения кислотности желудка, диагностики гиперкапнии (легочное заболевание, вызываемое повышением уровня углекислого газа в крови), изучения энергетического обмена в организме и назначения диетического питания. Формиат натрия - для диагностики функции печени. С помощью 13 С-глюкозы можно легко диагностировать диабет: у этих пациентов глюкоза не разлагается и 13 СО 2 не выделяется. Есть также биомаркеры с двумя и более атомами 13 С в молекуле, например, (13 С 3 -карбонил)триоктаноин используют для диагностики функции поджелудочной железы (как она расщепляет жиры); при этом чувствительность метода вследствие увеличения числа меток 13 С увеличивается.

Сейчас на счету 13 С-диагностики уже десяток заболеваний, и постоянно идет разработка новых методик. В перспективе - диагностика самых опасных недугов, которые не дают покоя человечеству: различные виды рака, болезни Альцгеймера, Канавана (генетическое поражение мозга), заболевания сосудистой, эндокринной и других систем.

Дыхательные тесты не только не травмируют человека (то есть неинвазивны, как говорят медики). Они очень точны и специфичны (до 100%), то есть свидетельствуют о состоянии данного конкретного органа. В западных странах такую диагностику применяют уже почти 20 лет, она давно стала привычной массовой процедурой. Только в США за год проводят 5–7 млн 13 С-дыхательных тестов (в мире около 10 млн). Врачи используют все новые 13 С-биомаркеры, и список доступных препаратов постоянно расширяется.

Сегодня производятся сотни наименований 13 С-продуктов, и стоят они очень дорого (до тысячи долларов и больше за грамм). Чаще всего применяют 13 С-мочевину, 1- 13 С-каприловую кислоту, (13 С-метокси)метацетин, 1- 13 С-октаноат натрия, (13 С 3 -карбонил)-триоктаноин, 1- 13 С-D-глюкозу, 13 С-бикарбонат натрия, 13 С-формиат натрия и другие препараты.

В России такая изотопная диагностика отсутствует, поскольку нет зарегистрированных препаратов, приборов и методов проведения медицинских тестов. В какой-то момент лед тронулся, и с 2007 по 2012 год наша страна сильно продвинулась вперед в создании собственных диагностических препаратов, приборов и медицинских методик. Конечно, это стало возможным только благодаря тому, что Россия производит высококачественное изотопное сырье - оксиды 13 С-углерода (13 СО 2 и 13 СО) с химической и изотопной чистотой более 99%.

Надо сказать, что разработка подобных препаратов - непростая задача. Вначале надо с нуля придумать такую методику синтеза, которая обеспечивала бы введение изотопа 13 С в определенное положение нужной молекулы с минимальными потерями изотопного сырья. Кроме того, синтезы должны быть малостадийными, иметь низкий коэффициент расхода изотопного сырья, а также предусматривать возможность его сбора и хранения для повторного использования. При этом нужно иметь много разных диагностических препаратов, меченных изотопом углерода, - для каждого заболевания свой. За пять лет наши химики создали оригинальные методы синтеза около 20 диагностических препаратов. Именно оригинальные - публикаций на эту тему практически нет. Помимо химиков - сотрудников ГНЦ «НИОПИК», компании «Ростхим», ИОХ им. Н. Д. Зелинского РАН, «Объединенного центра исследований и разработок», МИТХТ им. М. В. Ломоносова - в исследованиях принимали участие Институт медико-биологических проблем РАН, ЦНИИ гастроэнтерологии, НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского, Российский онкологический научный центр им. Н. Н. Блохина РАМН и другие известные научные центры. Благодаря такому содружеству и использованию синтезированных нами препаратов, были отлажены отечественные изотопные анализаторы для дыхательных тестов и отработаны методики диагностики опаснейших болезней (рака, язвы, гастрита, цирроза). Осталось только официально зарегистрировать новые препараты и методики. А вот это, к сожалению, гораздо более сложная задача, чем их разработка...

Расширение возможностей

Диагностика болезней по выдыхаемому воздуху - не единственная возможность, которую дает изотоп углерода 13 С. Есть гораздо более серьезные перспективы. В живых организмах постоянно происходит обмен веществ, или метаболизм. Для здорового тела и его клеток характерны определенные концентрации метаболитов, но, если клетки заболевают или начинается рост опухоли, содержание метаболитов существенно изменяется. Однако обнаружить эти изменения бывает весьма и весьма непросто.

И здесь 13 С позволяет увидеть невидимое. Физикам и химикам давно известно, что ядро этого изотопа имеет магнитный момент, то есть работает как миниатюрный магнитик. А значит, его можно обнаружить, если поместить в магнитное поле. Это свойство веществ, меченных изотопом 13 С, используется в науке для определения их строения, изучения превращений и для решения многих других полезных задач с помощью ядерного магнитного резонанса (метод 13 С-ЯМР). Если пометить наши метаболиты изотопом 13 С, то их можно будет не только увидеть в магнитном поле, но и определить концентрации. Как это сделать, не причинив вреда пациенту? Нужно ввести в организм какой-либо естественный 13 С-биомаркер, принимающий участие в обмене веществ, например 13 С-глюкозу. Тогда метка 13 С вскоре сама перераспределится между веществами, участвующими в цепочке метаболизма, и мы сможем измерить их содержание с помощью томографа (или масс-спектрометра).

Да, в данном случае, в отличие от диагностики по выдоху, нужны томографы. Но этот метод во многих случаях более информативен в сравнении с обычной протонной томографией и значительно дешевле, чем позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которая сейчас используется для тех же целей. Кроме того, для ПЭТ нужны радиоактивные вещества, а значит, есть жесткие ограничения по времени, поскольку многие радиофармпрепараты быстро распадаются и теряют свою активность; необходимы также синхротроны, которые занимают целое помещение.

В мае 2012 года журнал “Science” (2012, 336, 1040–1044, DOI:10.1126/science.1218595) опубликовал данные о скорости поглощения и выделения 111 различных метаболитов для 60 видов опухолей. Проанализировав этот большой материал, специалисты установили, каким видам опухолей соответствуют те или иные соотношения метаболитов. Появились даже так называемые карты метаболитов, или SIDMAP (Stable Isotope-based Dynamic Metabolic Profiling ). Например, клетки, пораженные меланомой (рак кожи и слизистых), выделяют на порядок больше аминокислоты аденозина, чем клетки с лейкемией (рак крови). А другого метаболита - орнитина, при всех видах опухолей выделяется в сотни раз больше, чем аденозина.

Многие значения концентраций метаболитов для разных видов рака исследователи получили именно с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса на ядрах 13 С, и это оказалось весьма информативным. Так, при раке легких в пораженных клетках, в отличие от здоровых, очень много молочной и янтарной кислот, глютаминовой и некоторых других аминокислот, тогда как концентрации глюкозы, наоборот, понижены. С помощью 13 С-ЯМР установлены многие характерные значения уровней метаболитов для рака груди, мозга, печени, толстой кишки, яичников, простаты.

Но если можно исследовать, то можно и ставить диагноз! Сейчас это проверяют, главным образом, на животных - крысах, мышах, собаках (рис. 5). Однако есть отдельные публикации, которые подтверждают применимость такой методики и для людей. В частности, записывая сигналы ЯМР 13 С-креатина и 13 С-холина после введения пациенту 13 С-глюкозы, удалось получить четкое изображение опухоли мозга (глиобластомы), в то время как на обычной томограмме эта опухоль была не видна (рис. 4). Специальная математическая обработка сигналов 13 С-ЯМР меченых метаболитов дает цветные изображения опухолей, и в будущем это облегчит работу врача.

В настоящее время этот метод за рубежом находится в стадии доработки: конструируют датчики для обследования человека (например, для исследования мозга удобен датчик в форме подголовника, возможно, со временем появятся и другие), изучают режимы записи резонансных сигналов, разрабатывают методики введения 13 С-препаратов (внутривенно или с помощью обычной таблетки или раствора). Поскольку для записи спектров 13 С-ЯМР используют обычные серийные томографы, внедрение метода не за горами. Тогда появится возможность увидеть в организме то, что не под силу обычному МРТ, не прибегая к рентгеновским лучам (компьютерная томография), радиоактивности (ПЭТ) или иным сильным, а порой и разрушительным воздействиям.

Впрочем, и этим возможности изотопа 13 С не исчерпываются. Уже более десяти лет известно, что если 13 С-продукт подвергнуть гиперполяризации, то есть намного увеличить количество ядер 13 С, ориентирующих свои магнитные моменты вдоль магнитного поля (в обычном состоянии доля таких ядер невелика), то чувствительность 13 С-магниторезонансной диагностики сильно увеличивается. А точнее, после гиперполяризации интенсивность сигнала увеличивается в 10 000–100 000 раз. Это позволяет получать снимки внутренних органов порой даже более качественные, чем обычные снимки МРТ (рис. 6). Дело в том, что обычный метод МРТ основан на магнитном резонансе ядер водорода воды, из которой все мы состоим на 80%, поэтому на снимках трудно отличить опухоли от, например, отеков - ведь они тоже дают только протонный сигнал. Кроме того, обычным методом МРТ невозможно наблюдать процессы метаболизма.

Сейчас метод 13 С-ЯМР с гиперполяризацией активно развивается за рубежом, при этом даже используются современные российские устройства, в частности, СВЧ-генератор ELVA-1 из Санкт-Петербурга. К 13 С-биомаркеру добавляют стабильный свободный радикал (вещество с неспаренными электронами), смесь помещают в сильное магнитное поле при низкой температуре, для чего используют магнит от серийного томографа, и облучают СВЧ. Вещество замерзает, и происходит его гиперполяризация за счет передачи магнитного момента с неспаренных электронов радикала на ядра 13 С-биомаркера. Затем препарат быстро размораживают и вводят пациенту.

Вообще-то препараты с изотопом 13 С нужны не только медикам. Их используют в криминалистике, судебно-медицинской экспертизе, космической медицине, антидопинговом контроле, экологии, геологии, геофизике, при изучении биосинтеза и эволюции живых организмов, при защите патентных прав на химические технологии, при изучении механизмов химических реакций и во многих других научных исследованиях - везде, где нужны маркеры и можно обойтись без опасных радиоактивных изотопов. Поэтому методики синтеза соединений, меченных изотопом 13 С, - ценнейшее ноу-хау. А вслед за 13 С обязательно придет очередь других стабильных изотопов - 10 B, 11 B, 28 Si, 33 S, обладающих другими ценными свойствами.

Российское производство изотопов - крупнейшее в мире, а многие другие страны вынуждены импортировать эти продукты. До настоящего времени мировыми монополистами по производству препаратов, меченных 13 С, остаются две компании, находящиеся в США, - “Isotech” (подразделение “Sigma-Aldrich”) и “Cambridge Isotope Laboratories”, у которых эту продукцию приобретают многочисленные исследовательские центры и фирмы. Сейчас и у нас разработаны методы синтеза подобных препаратов, весьма востребованных на мировом рынке. К сожалению, нынешнее правительство Москвы прекратило финансирование этих работ, но если, несмотря на это, удастся довести дело до конца, то в нашей стране появятся свои современные и общедоступные методы диагностики.

1вопрос. Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете. Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO 2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов: углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу организмам, которые питаются мертвым органическим веществом; растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу, либо травоядные животные будут съедены плотоядными; растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо - например, в уголь. В случае же растворения исходной молекулы CO 2 в морской воде также возможно несколько вариантов: углекислый газ может просто вернуться в атмосферу углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк.

Изото́пы углеро́да - разновидности атомов (и ядер ) химического элемента углерода , имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Углерод имеет два стабильных изотопа - 12 C и 13 C . Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от 8 C до 22 C), из которых один - 14 C - встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10 −12). Углерод - лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование). Изотоп 14 C образуется при облучении нейтронами по следующей реакции: Изотоп углерода 14 C образуется в атмосфере из атмосферного азота под действием космического излучения . С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в земной коре . Измерение радиоактивности органических веществ растительного и животного происхождения, обусловленной изотопом 14 C, применяется длярадиоуглеродного анализа возраста старинных предметов и природных образцов. В живом организме 14 C находится в равновесии с окружающей средой. После гибели организма он перестаёт обмениваться углеродом со средой, и содержание 14 C начинает медленно уменьшаться (его период полураспада равен 5,70±0,03 тыс. лет). Измеренная удельная активность 14 C в образце может быть однозначно связана с временем, прошедшим с момента гибели организма.

2вопрос . Изотопы водорода, в отличие от других изотопов химических элементов, сильно различаются по свойствам из-за кратного увеличения их относительной атомной массы. Им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки. Выделяют три группы: Протий Н(водород самый лёгкий из всех химических элементов: его ядро состоит только из одного протона),Дейтерий D(Ядро тяжёлого водорода дейтерия, состоит из одного протона и одного нейтрона. Этот изотоп водорода приблизительно вдвое тяжелее обычного атома водорода), Тритий Т (Изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов, называется тритий).

3 вопрос. Слово "каустобиолит" происходит от греческих слов: "каустос" – горючий, "литос" – камень, "биос" – жизнь, т.е. горючий камень органического происхождения. Каустобиолиты относятся к органогенным горным породам – биолитам. Автор термина "каустобиолиты" немецкий ученый Г.Потонье и вслед за ним И.М. Губкин рекомендуют различать: 1) каустобиолиты битумного (или нефтяного) ряда – нефтяные битумы; 2) каустобиолиты угольного (или гумусового) ряда; 3) липтобиолиты. В. А. Успенским и О. А. Радченко предложена генетическая схема классификации каустобиолитов (рис. 2). Схема состоит из двух ветвей – левой, отвечающей горючим ископаемым угольного ряда (гумусовым), и правой, соответствующей ископаемым нефтяного (битумного) ряда. Отдельные типы горючих ископаемых изображены на схеме в виде блоков, на торцевой стороне которых дана харак­теристика геохимической обстановки их образования. На схеме указаны также основные категории исходного материала для обра­зования горючих ископаемых угольного ряда, представленные выс­шими растительными и низшими животными организмами.

Правая ветвь схемы отвечает горючим ископаемым нефтяного (битумного) ряда. Стрелкой, направленной от правого блока угольной ветви, соответствующего морским и пресноводным сапропелитовым образованиям, показана связь горючих ископаемых нефтяного ряда с отложениями морских водоемов. Правый блок этой ветви отвечает минералам группы озокерита, образующимся в результате вывет­ривания парафинистых нефтей. На противоположной стороне этой ветви показан переход тяжелых смолистых нефтей нафтено-ароматического типа к асфальтам и далее к асфальтитам, керитам, антраксолитам, отвечающим определенной степени метаморфизма. Как видно из схемы, конечные продукты метаморфизма горючих ископаемых как угольного, так и нефтяного ряда сближаются, и конечным продуктом метаморфизма как угольного ряда, так и нефтяного является графит, т. е. происходит общий процесс кар­бонизации материи.

4 вопрос.

« Нефти являются смесями сложных органических соединений, в которых преобладают углеводороды» Нефть – единственный не водный жидкий раствор на Земле.

Фракционный состав определяется при лабораторной перегонке с использованием метода постепенного испарения, в процессе которой при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части - фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания. Каждая из фракций характеризуется температурами начала и конца кипения.

Наиболее полные классификации отражают как физико-химические свойства нефтей, так и их состав. К числу таких классификаций можно отнести классификацию Т. А. Ботнева (1987 г.). По соотношению метановых и нафтеновых углеводородов, содержащихся в бензиновой фракции (т. к. 200 о С) выделяют шесть типов нефтей.

Затем идет подразделение нефтей по категориям на основе содержания серы, парафинов, асфальтенов и смол. Используя классификационные индексы, тип нефти можно представить в виде формулы, например нефть метановая средняя малосмолистая малосернистая парафинистая имеет формулу I.2.См 1 .Ср 1 .Пр 2 .

Углеводородную часть состава нефти образуют три основные класса углеводородных соединений.

1. Алкановые(парафиновые, метановые) – соединения с открытой цепью и простыми связями между атомами углерода. Являются насыщенными (предельными) углеводородами. Гомологический ряд имеет формулу С n H 2n+2 .

Алканы с неразветвленной цепью называются нормальными (n-алканы, n-парафины). Алканы, имеющие в строении разветвленную открытую цепь, называются изоалканами (i-алканы, i-парафины).

2. Циклановые(циклоалкановые, циклопарафиновые, нафтены) – соединения, имеющие в своей основе замкнутую цепь (кольцо) из метиленовых (СН 2) групп. Поэтому называются также полиметиленовыми углеводородами. Могут содержать один (моноциклические нафтены) или два и более (полициклические нафтены) кольца. Гомологический ряд моноциклических нафтенов – С n H 2n , бициклических – С n H 2n-2 , трициклических – С n H 2n-4 . Являются, наряду с алканами, предельными углеводородами. В нефтях содержатся нафтены с пятью и с шестью атомами углерода в кольце (циклопентаны и циклогексаны). В некоторых нефтях обнаружены нафтены с семичленными циклами, но их количество крайне незначительно. Кольца с числом атомов углерода меньше 5 и больше 7 в нефти не обнаружены.

3. Арены(ароматические) – содержат в своей структуре бензольное кольцо. Делятся на моноарены (бензол и его гомологи – С n H 2n-6), и полиарены (бициклические – С n H 2n-12(14) ; трициклические – С n H 2n-14(16)). Являются ненасыщенными (непредельными) углеводородами. Кроме трех основных классов углеводородов, в нефтях обнаружены также алкены(олефины) – соединения, в которых два или большее число атомов углерода имеют двойные связи (С n H 2n-2). В нефтях встречаются в виде следов, так как обладают слабой устойчивостью и распадаются с образованием алканов. Так же, как и арены, являются ненасыщенными углеводородами.

Кроме углеводородных соединений в нефтях присутствует и достаточное количество соединений неуглеводородной природы, то есть содержащих в молекуле атомы азота, серы и кислорода (в основном это смолисто-асфальтеновые компоненты нефтей).

Элементный состав нефтей

5 вопрос. Биологические маркеры являются любые из набора сложных органических соединений, состоящей из углерода, водорода и других элементов, таких как кислород, азот и серу, которые находятся в сырых нефтей , битумов, нефтяной материнской породы и в конечном итоге показывают, упрощение в молекулярной структуре от родительских органических молекул присутствует во всех живых организмах. По существу, они представляют собой сложные молекулы на основе углерода, полученные из ранее живых организмов.Геологи и Геохимики использовать биомаркеры следы, найденные в сырой нефти и связанных с ними материнских пород разгадать стратиграфическую происхождение и путей миграции из ныне существующих нефтяных месторождений.

Плотность - отношение массы к объему. Единица измерения плотности в системе СИ выражается в кг/м 3 . Измеряется плотность ареометром. Ареометр – прибор для определения плотности жидкости по глубине погружения поплавка (трубка с делениями и грузом внизу). На шкале ареометра нанесены деления, показывающие плотность исследуемой нефти.

Вязкость – свойство жидкости или газа оказывать сопротивление перемещению одних ее частиц относительно других. Она зависит от силы взаимодействия между молекулами жидкости. Для характеристики этих сил используется коэффициент динамической вязкости . За единицу динамической вязкости принят паскаль-секунда (Пас), т. е. вязкость такой жидкости, в которой на 1 м 2 поверхности слоя действует сила, равная одному ньютону, если скорость между слоями на расстоянии 1 см изменяется на 1 см/с. Жидкость с вязкостью 1 Пас относится к числу высоковязких. В нефтяном деле, так же как и в гидрогеологии и ряде других областей науки и техники, для удобства принято пользоваться единицей вязкости в 1000 раз меньшей – мПас. Так, пресная вода при температуре 20 имеет вязкость 1 мПас, а большинство нефтей, добываемых в России, – от 1 до 10 мПас, но встречаются нефти с вязкостью менее 1 мПас и несколько тысяч мПас. С увеличением содержания в нефти растворенного газа, ее вязкость заметно уменьшается. Для большинства нефтей, добываемых в России, вязкость при полном выделении из них газа (при постоянной температуре) увеличивается в 24 раза, а с повышением температуры резко уменьшается.

Сжимаемость – способность нефти (газа, пластовой воды) изменять свой объем под действием давления. При увеличении давления нефть сжимается. Для пластовых нефтей коэффициенты сжимаемости нефти колеблются в пределах 0,414,0 ГПа -1 , коэффициент определяют пересчетом по формулам, более точно получают его путем лабораторного анализа пластовой пробы нефти.

Таблица 2.2 – Группы нефтей, выделяемые по плотности

6 вопрос. К настоящему времени существует множество классификаций нефтей. Цели создания этих классификаций различны и зависят, в основном, от того, в какой области науки или производства используется тот или иной тип классификации. Соответственно различаются физико-химические параметры, на которых эти классификации основаны. Нефтепереработчиков больше всего интересует процентное содержание, химический состав и физические свойства (вязкость, температура застывания, содержание серы и т. д.) фракций при последовательной перегонке нефти (бензина, керосина и т. д.); геологам и геохимикам необходимо проводить идентификацию нефтей с целью сопоставления их с органическим веществом материнских пород, определения эволюции нефтей.

Очень часто в промысловых добывающих предприятиях используется классификацию И. С. Старобинца (1986 г.).

1. По групповому углеводородному составу бензиновых и структурно-групповому составу фракций, выкипающих до 500 о С (С а, С н и С п – молярное содержание углерода в ароматических циклах, нафтеновых и метановых УВ по данным кольцевого анализа) нефти делятся на:

Метановые (М), М>60 %, С п >60 %; - нафтеновые (Н), Н>60 %, С н >50–60 %;

Метано-нафтеновые (МН), М+Н>60 % (М>Н>А), С п +С н >60 (С п >С н >С а);

Нафтено-метановые (НМ), М+Н>60 % (Н>М>А), С п +С н >60 % (С н >С а);

Метано-ароматические (МА), М+А>60 % (М>А>Н), С п +С а >60 % (С м >С а >С н);

Нафтено-ароматические (НА), Н+А>60 % (Н>А>М), С н +С а >60 % (С н >С а).

Малосмолистые (СМ 1) – менее 5 %; - смолистые (СМ 2) – 6–15 %; - высокосмолистые (СМ 3) – более 15 %.

Сернистые (S 3) – 1–2 %; - высокосернистые (S 4) – более 2 %.

Практически беспарафинистые (П 1) – менее 0,5 %; - малопарафинистые (П 2) – 1–3 %;

Парафинистые (П 3) – 3–8 %; - высокопарафинистые (П 4) – более 8 %.

5. По выходу бензиновых фракций (н.к. – 200 о С): - низкобензиновые (Б 1) – 0–5 %; - среднебензиновые (Б 2) – 5–15 %; - бензиновые (Б 3) – 15–30 %; - высокобензиновые (Б 4) – более 30 %.

7вопрос. Разными исследователями были рекомендованы те или иные классификации газов (В. А. Соколов, А. А. Карцев, И. С. Старобинец и др.). Химическая классификация природных газов, охватывающая наиболее часто встречающиеся в природе газы, разработана Н. А. Еременко и С. П. Максимовым (1953 г.). Согласно классификации выделяются десять классов газов:

I – углеводородные газы,

II – углеводородно-углекисло-азотные газы,

III – углеводородно-азотные газы,

IV – углеводородно-углекислые газы,

V – азотные газы,

VI – азотно-углеводородно-углекислые газы,

VII – азотно-углекислые газы,

VIII – углекислые газы,

IX – углекисло-углеводородно-азотные газы,

X – равносмешанные углеводородно-углекисло-азотные газы.

Для отнесения газа к тому или иному классу используют треугольную диаграмму (рис. 2.4).

Для классификации углеводородных газов более всего подходит типизация газов по содержанию отдельных компонентов (И. С. Старобинец, 1986 г.; табл. 2.3). При этом использован коэффициент жирности углеводородных газов, который определяется по формуле:

где а – коэффициент жирности,

с(С 2+высш Н) – содержание в газе углеводородных соединений от этана и более высших, %;

с(СН 4 ) – содержание в газе метана, %.

Классификация углеводородных газов И. С. Старобинца.

Тип газов	Показатель
Коэффициент жирности газов
Полужирные
Высокожирные
Низкоазотные
Высокоазотные
Аномально азотные
Низкосернистые
Сернистые
Высокосернистые
Аномально сернистые
Низкоуглекислые
Углекислые
Высокоуглекислые
Аномально углекислые
Низкогелиеносные
Гелиеносные
Высокогелиеносные
Низкоконденсатные
Конденсатные
Высококонденсатные
Низкобензиновые
Бензиновые
Высокобензиновые

8 ВОПРОС . -Метан(это наиболее подвижный газ имеет глубинное строение, благодаря тому что метан плохо сорбируется породами и плохо растворяется по сравнению с гомологами, то при миграции он опережает основной газовый поток.

Тяжёлые углеводороды(нефтяные)

Сероводород

Углекислый газ(иногда возможны возникновения газоконденсатных скоплений при наличии большого кол-ва СО 2

Азот; -гелий; -аргон; -водород.

9вопрос . Природные углеводородные газы находятся в недрах земли или в виде самостоятельных залежей, образуя чисто газовые месторождения, либо в растворенном виде содержится в нефтяных залежах. Такие газы называются нефтяными или попутными, так как их добывают попутно с нефтью.

Углеводородные газы нефтяных и газовых месторождений представляют собой газовые смеси, состоящие главным образом из предельных углеводородов метанового ряда С n Н 2n+2 , т. е. из метана СН 4 и его гомологов – этана С 2 Н 6 , пропана С 3 Н 8 , бутана С 4 Н 10 и других, причем содержание метана в газовых залежах преобладает, доходя до 98 99 %.

Кроме углеводородных газов, газы нефтяных и газовых месторождений содержат углекислый газ, азот, а в ряде случаев сероводород и в небольших количествах редкий газ, такой как гелий, аргон и др.

Плотность газов существенно зависит от давления и температуры. Она может измеряться в абсолютных единицах (г/см 3 , кг/м 3) и в относительных. При давлении 0,1 МПа и температуре 0 плотность газов примерно в 1000 раз меньше плотности жидкости и изменяется для углеводородных газов от 0,7 до 1,5 кг/м 3 (в зависимости от содержания в газе легких и тяжелых углеводородов).

Относительной плотностью газа называют отношение плотности газа при атмосферном давлении (0,1 МПа) и стандартной температуре (обычно 0 ) к плотности воздуха при тех же значениях давления и температуры. Для углеводородных газов относительная плотность по воздуху изменяется в пределах 0,61,1.

Вязкость нефтяного газа при давлении 0,1 МПа и температуре 0 обычно не превышает 0,01 мПа·с. С повышением давления и температуры она незначительно увеличивается. Однако при давлениях выше 3 МПа увеличение температуры вызывает понижение вязкости газа, причем газы, содержащие более тяжелые углеводороды, как правило, имеют большую вязкость.

10вопрос.

Среди насущных геологических вопросов выяснения особенностей пространственного размещения коллекторов, их физического состояния немаловажным считается установление закономерностей изменения ёмкостно­-фильтрационных свойств (ФЕС) пород по разрезу. Степень изменения пород во многом зависит от процентного соотношения песчаников, алевролитов, глин, а также переменного их вещественного состава обломочного материала и особенностей строения разрезов. По литературным данным известно, что песчаные и глинистые породы в пачках переслаивания уплотняются быстрее по сравнению с песчаниками в мощных песчаных толщах. Кроме того, заметим, что в упоминавшихся работах изучались главным образом крупные месторождения, расположенные на высокоамплитудных поднятиях I и II порядков. В купольных частях поднятий коллекторы, как правило, лучше, чем на погруженных частях. Следовательно, закон их поведения с глубиной и теснота связей будут неодинаковыми. Относительно характера изменения ФЕС пород по мере их погружения для отрицательных тектонических структур I порядка каких­либо сведений мы не нашли. Закономерность изменения ёмкостных свойств песчано­алевритовых пород с глубиной Н (м) описывается уравнением (рис.1А)

коэффициент корреляции r равен – 0,57.

Проницаемость с возрастанием глубины меняется согласно выражению (рис.1Б)

Так, пористость коллекторов при сравнительно постепенном ее снижении по разрезу резко уменьшается (на 3% абс.), начиная с глубины 2460 м. Следующая ступень ухудшения приходится на глубину 2660 м, затем 2740 и далее 2820 м. Заметим, что одни и те же уровни скачкообразного изменения Kп наблюдаются и для других параметров (Kпр, σ, Kов). Поскольку они фиксируются не только по пористости, то правомерно говорить о влиянии определенных процессов, механизм которых в общих чертах представляется следующим.

С ростом глубины породы испытывают возрастающее давление залегающих выше отложений и в какой­то момент, достигнув предела упругой деформации, в них происходит значительное сближение зерен, их механическое приспособление друг к другу . Это ведет к увеличению в породе контактирующих между собой зерен и как следствие – развитию выпукло­вогнутых контактов. Специальные исследования в шлифах показали, что для коллекторов неокома и юры Среднего Приобья число таких контактов (в процентах от общего количества контактирующих зерен) составило на глубинах 2000 – 2200 м в среднем 14,5, ниже 2400 – 2500 ~ 37 и 2900 – 3000 м ~ 60%. В результате поровое пространство песчаников постепенно уменьшается и, соответственно, ухудшаются их коллекторские свойства.

Углерод представляет собой смесь двух стабильных изотопов с массами 12 и 13 и одного радиоактивного изотопа с массой 14. Последний используется в геологии для определения возраста молодых четвертичных образований и в археологии (см. Метод радиоуглеродный). Вариации в соотношениях стабильных изотопов углерода в природных образованиях достигают 12%. Изменения изотопного состава углерода используются в геологии для решения вопросов, касающихся источника рудообразующих растворов и генезиса м-лов, г. п. и руд. Исследования изотопного состава С дают важные сведения для изучения генезиса м-ний нефти, газа, самородной S, для разработки геохим. методов поисков этих м-ний, для реконструкции условий осадконакопления в древних бассейнах и др. Данные по изотопному анализу углерода позволили обосновать предположение о глубинном происхождении алмазов и карбонатитов, о наличии графитов, образовавшихся из орг. вещества и из карбонатов, об орг. происхождении некоторых урановых м-лов и др. Разделение изотопов углерода в природных условиях вызывается изотопно-обменными реакциями, приводящими к преимущественному накоплению тяжелого изотопа С 13 в карбонатах, и биологическими процессами, в т. ч. фотосинтезом, в результате которых легким изотопом С 12 обогащается орг. вещество растительного и животного происхождения. Изотопный состав углерода морских осадков и карбонатных осад. п. изменяется в пределах δ С 13 от + 0,5 до - 0,3%; в алмазах, карбонатитах, ювенильной углекислоте - от - 0,32 до -0,94% ; в орг. веществе морских и пресноводных отл., угле и нефти - от -2,3 до -3,2%. δ С 13 показывает разницу в изотопном составе образца и стандарта. Знак “минус” указывает на то, что образец содер. меньше С 13 , чем стандарт, что он легче стандарта, знак “плюс”-тяжелее стандарта. За стандарт принят изотопный состав углерода из мелового белемнита с отношением С 12 /С 13 равным 88,89. М. Н. Голубкина.

• - атомы одного и того же хим. элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов...

  Словарь микробиологии

• -  ...

  Физическая энциклопедия

• - разновидности атомов одного и того же хим. элемента, атомные ядра к-рых содержат одинаковое число протонов и разл. число нейтронов. И. наз. также ядра таких атомов...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - разновидности химического элемента, в ядре атомов которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Различают И. устойчивые и радиоактивные...

  Словарь военных терминов

• - элементы с одинаковым порядковым номером, но с разной атомной массой. Большинство радиоактивных изотопов, важных для экологии, обладают энергией от 0,1 до 5 Мэв...

  Экологический словарь

• - одинаковые местоположения с равноценными почвообразующими и подстилающими горными породами в различных ландшафтных зонах...

  Экологический словарь

• - различия в отношении О18/О16 могут быть использованы для решения ряда геол. задач. Дисперсия изотопного состава кислорода в природных образованиях достигает 4-5%...

  Геологическая энциклопедия

• - природный свинец представляет собой смесь четырех стабильных изотопов с массами 204, 206, 207 и 208. Полагают, что первый из них нерадиогенного происхождения, так как он не накапливается с течением времени...

  Геологическая энциклопедия

• - в природных образованиях изотопный состав серы непостоянен и изменяется в/пределах до 11%. Разделение серы вызывается гл. обр. биогенными процессами и изотопно-обменными реакциями...

  Геологическая энциклопедия

• - разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в Периодической системе элементов и идентичные по химическим свойствам, но разные по массе атомов и некоторым физическим свойствам...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов...

  Большая Советская энциклопедия

• - разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов...

  Современная энциклопедия

• - разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов...

  Большой энциклопедический словарь

• - изото́пы мн. Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся атомной массой...

  Толковый словарь Ефремовой

• - изот"опы, -ов, ед. ч. -т"...

  Русский орфографический словарь

• - изото́пы атомы одного и того же хим. элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов...

  Словарь иностранных слов русского языка

"ИЗОТОПЫ УГЛЕРОДА В ГЕОЛОГИИ" в книгах

Круговорот углерода в природе

автора Бетина Владимир

Круговорот углерода в природе

Из книги Путешествие в страну микробов автора Бетина Владимир

Круговорот углерода в природе Мы уже знаем, что в процессе фотосинтеза растения поглощают из атмосферы углекислый газ и из него и воды при обязательном участии световой энергии вырабатывают сахара. Дальнейшая судьба полученных сахаров может быть различной. В клубнях

Барокамеры, изотопы и смертельное облучение

Из книги автора

Барокамеры, изотопы и смертельное облучение В России принято богатым людям бросать вдогонку: «От сумы да от тюрьмы не зарекайся!» Мало ли чем для кого-то обернутся «медные трубы»! Так уж лучше подать случайному прохожему. Вдруг именно оно, его веское слово, поможет

Сероуглерод (дисульфид углерода)

Из книги Наркотики и яды [Психоделики и токсические вещества, ядовитые животные и растения] автора Петров Василий Иванович

Сероуглерод (дисульфид углерода) Сероуглерод широко распространен как растворитель, экстрагент в химической промышленности, сельском хозяйстве (пестицид).Бесцветная, легко летучая жидкость, медленно разлагается на свету. Пары в 2,6 раза тяжелее воздуха. Может

12. Изотопы

Из книги Химия автора Данина Татьяна

12. Изотопы Расположение химических элементов в виде таблицы нельзя рассматривать в качестве идеального варианта их классификации.Возьмем, к примеру, такое явление, как существование изотопов. С современной точки зрения, изотопы – это разновидности химических

Из книги 3. Диалектика природы и естествознания автора

1. Объект и предмет геологии. Основные этапы развития научного знания в геологии

Из книги Диалектика природы и естествознания автора Константинов Федор Васильевич

1. Объект и предмет геологии. Основные этапы развития научного знания в геологии Взаимоотношение диалектики природы и познавательного процесса обусловлено внутренними связями, определяющими исторический процесс развития научного знания. Это доказал Ф. Энгельс,

Тип углерода

Из книги Философский камень гомеопатии автора Симеонова Наталья Константиновна

Тип углерода Карбонический тип наиболее часто встречается среди пациентов, что не случайно. Углерод - это центральный элемент органической жизни, и все вещества делятся на органические и неорганические в зависимости от наличия или отсутствия в их составе углерода.

2. Электрохимия углерода

Из книги Физическая химия: конспект лекций автора Из книги Большая Советская Энциклопедия (УГ) автора БСЭ

Углерода окись

Из книги Большая Советская Энциклопедия (УГ) автора БСЭ

Стабильные изотопы – на службе здоровья

Из книги Литературная Газета 6435 (№ 42 2013) автора Литературная Газета

Стабильные изотопы – на службе здоровья Что такое изотопы При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не

Углерод представляет собой смесь двух стабильных изотопов с массами 12 и 13 и одного радиоактивного изотопа с массой 14. Последний используется в геологии для определения возраста молодых четвертичных образований и в археологии (см. Метод… … Геологическая энциклопедия

Разновидности атомов (и ядер) химического элемента азота, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Таблица изотопов азота Символ нуклида Z(p) N(n) Масса изотопа (а. е. м.) Период полураспада … Википедия

Разновидности атомов (и ядер) химического элемента бора, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Таблица изотопов бора Символ нуклида Z(p) N(n) Масса изотопа (а. е. м.) Период полураспада … Википедия

Ядерная физика … Википедия

Разновидности атомов химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре. У изотопов данного элемента одинаковый атомный номер (равный числу протонов) и почти одинаковые химические свойства, но разные… … Энциклопедия Кольера

ИЗОТОПЫ - (от греч. ísos — одинаковый и tópos — место), разновидности одного химического элемента, занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, то есть имеющие одинаковый заряд ядра, но отличающиеся массами… … Ветеринарный энциклопедический словарь

Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжи … Википедия

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом … Википедия