Джей Берресон - Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир
Участок молекулы целлюлозы с указанием мест возможного нитрования OH-групп у атомов С2, С3 или С6 в любом остатке глюкозы
Участок молекулы нитроцеллюлозы: в данном случае атомы водорода из OH-групп заменены нитрогруппами во всех возможных положениях в каждом остатке глюкозы
Шенбейн, осознавший возможную выгоду от своего открытия, основал фабрики по производству нитроцеллюлозы, надеясь, что она сможет заменить порох. Однако нитроцеллюлоза — очень опасное вещество, которое необходимо беречь от влаги. В те времена не знали, что азотная кислота является чрезвычайно едким веществом, и на нескольких фабриках произошли сильные взрывы, что вынудило Шенбейна закрыть производство. Только в конце 60-х годов XIX века, когда был разработан метод очистки нитроцеллюлозы от остатков азотной кислоты, стало можно получать достаточно устойчивую нитроцеллюлозу для промышленного производства взрывчатки.
Позднее был разработан контролируемый процесс, позволяющий получать разную нитроцеллюлозу: пироксилин с высоким содержанием нитрогрупп и такие вещества, как коллодий и целлулоид, отличающиеся низким содержанием нитрогрупп. Коллодий — это нитроцеллюлоза, смешанная со спиртом и водой. Эту смесь использовали на заре развития фотографии. Целлулоид (смесь нитроцеллюлозы с камфарой) — одна из первых пластмасс, из которой делали первую кинопленку. Другое производное целлюлозы — ацетат целлюлозы — оказалось гораздо менее горючим, чем нитроцеллюлоза, и быстро заменило ее во многих областях. Современные фото— и кинопроизводство обязаны своим нынешним размахом многогранной структуре целлюлозы.
Целлюлоза не растворима в большинстве растворителей, но переходит в щелочной раствор одного органического вещества — сероуглерода. В результате образуется ксантат целлюлозы. Эту вязкую дисперсию назвали вискозой. Если вискозу продавить через мелкие отверстия, а потом обработать кислотой, целлюлоза опять принимает форму тонких волокон, которые можно прясть. Так получают вискозный шелк. В похожем процессе, в котором вискозу продавливают через узкую щель, получают целлофан. Вискозу и целлофан обычно относят к синтетическим материалам, однако их нельзя считать полностью синтетическими: они созданы на основе природной целлюлозы.
И α-полимер глюкозы (крахмал), и β-полимер (целлюлоза) остаются важным компонентом нашего питания и продолжают оказывать влияние на нашу жизнь. Однако историческая роль целлюлозы и ее производных не связана с их пищевой функцией. Целлюлоза в форме хлопка явилась причиной двух важнейших событий XIX века: Промышленной революции в Европе и Гражданской войны в США. Хлопок послужил “топливом” Промышленной революции, изменившей развитие Англии и сопровождавшейся переселением сельских жителей в города, быстрой индустриализацией, инновациями, социальными изменениями и, наконец, процветанием страны. С другой стороны, с хлопком связан один из самых серьезных кризисов в истории Америки, поскольку одной из главных причин Гражданской войны были разногласия по вопросу о рабстве между свободным Севером и рабовладельческим Югом, экономика которого была основана на труде невольников, работавших на хлопковых плантациях.
Нитроцеллюлоза (пироксилин) — одно из первых взрывчатых веществ, созданных человеком, и ее открытие послужило толчком к развитию многих отраслей современной промышленности, поначалу связанных с различными формами нитроцеллюлозы (производство взрывчатых веществ, фото— и киноиндустрия). Производство синтетических тканей, начавшееся с вискозы, в XX веке сыграло важную роль в развитии экономики. Без целлюлозы наш мир был бы совсем другим.
Глава 5
Нитроорганические соединения
Фрау Шенбейн, утратившая фартук в результате новаторских опытов мужа, — не первая в истории жертва взрыва созданных человеком взрывчатых веществ и, конечно, не последняя. Если химическая реакция протекает очень-очень быстро, она может обладать поистине страшной разрушительной силой. Целлюлоза — лишь одна из многих молекул, измененных человеком для получения взрывчатки. Некоторые из полученных химических соединений принесли человечеству огромную пользу, другие, напротив, причинили ему тяжкий урон. Но, как бы то ни было, эти соединения оказали на наш мир существенное влияние и изменили его лицо.
Структура взрывчатых веществ весьма разнообразна, однако в большинстве случаев молекулы этих веществ содержат нитрогруппы. Эта маленькая группа атомов, состоящая из одного атома азота и двух атомов кислорода (NO2), присоединенная в правильной позиции, изменила характер современной войны, определила судьбу целых народов, в буквальном смысле позволила человеку двигать горы.
Порох
Порох (черный порох) — первая взрывоопасная смесь, придуманная человеком, — уже в древности использовался в Китае, Индии и в Аравии. В древних китайских текстах упоминается “огненное зелье”. Состав пороха был впервые описан только в начале 1000-х годов, но и тогда точная пропорция нитратной соли, серы и углерода не была известна. Нитратная соль (селитра, “китайский снег”, “китайская соль”) представляет собой нитрат калия, химическая формула которого такова: KNO3. Углерод для пороха брали в виде древесного угля, что и объясняло черный цвет порошка.
Сначала порох использовали для салютов и фейерверков, однако к середине XI века военные научились пускать огненные стрелы. В 1067 году производство серы и селитры было взято китайским правительством под контроль.
Мы точно не знаем, когда порох прибыл в Европу. Францисканский монах Роджер Бэкон, родившийся в Англии и обучавшийся в университетах Оксфорда и Парижа, упомянул о порохе около 1260 года, за несколько лет до того, как Марко Поло вернулся в Венецию с рассказами о китайском “огненном зелье”. Бэкон был ученым и экспериментатором. Он занимался вопросами, которые сейчас мы отнесли бы к области астрономии, химии и физики. Он знал арабский язык, так что, возможно, читал и о порохе. Бэкон мог знать о разрушительной силе пороха, поскольку дал его описание в виде анаграммы, которую следовало расшифровать: семь частей селитры, пять — древесного угля, пять частей серы. Загадка оставалась нераскрытой на протяжении 650 лет, пока ее не разгадал один английский полковник[8].
Современные типы пороха несколько различаются по составу, однако все содержат значительно больше селитры, чем указал Бэкон. Химическую реакцию взрыва пороха можно записать следующим образом:
Из этой химической реакции можно узнать соотношение реагирующих веществ и образующихся продуктов. Буквы “тв” в скобках говорят о том, что данное вещество твердое, а буква “г” указывает на то, что это — газ. Из уравнения видно, что все реагирующие вещества твердые, но в результате реакции образуется восемь газообразных молекул: три молекулы двуокиси углерода, три — окиси углерода и две — азота. Именно горячие расширяющиеся газы, образующиеся при быстром горении пороха, толкают пушечное ядро или пулю. Образующиеся твердые карбонат и сульфид калия распыляются в виде мельчайших частичек и являются причиной появления плотного дыма, сопровождающего взрыв пороха.
Первое огнестрельное оружие, появившееся между 1300 и 1325 годом, представляло собой железную трубку, заваренную с одного конца. Ее наполняли порохом, который поджигали раскаленной проволокой. По мере развития оружия — фитильный, колесцовый, кремневый замки — возникала потребность в порохе с разной скоростью возгорания. Порох для пистолетов должен был гореть быстро, ружейный — медленнее, для пушек и ракет — еще медленнее. Смесь воды и спирта использовали для получения прессованного пороха, который можно было измельчить и разделить на тонкую, среднюю и грубую фракцию. Чем мельче порошок, тем быстрее горение. Так стало возможным получать порох для различных нужд. Вместо воды для изготовления пороха часто брали мочу рабочих пороховых заводов, поскольку считалось, что моча людей, пьющих много вина, способствует получению наиболее мощного пороха. Для получения пороха высшего качества также подходила моча священника, а лучше епископа.
Химия взрыва
Движущей силой взрыва является образование газов и их быстрое расширение под действием реакционного тепла. Газы занимают гораздо больший объем, чем аналогичное количество твердого вещества или жидкости. Разрушительное действие взрыва связано с ударной волной, вызванной очень быстрым изменением объема вещества при образовании газов. Ударная волна, образующаяся при взрыве пороха, распространяется со скоростью несколько сотен метров в секунду, однако в случае более мощной взрывчатки (такой как тринитротолуол или нитроглицерин) скорость ударной волны может достигать шести тысяч метров в секунду.
