Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Прошло не так уж много времени, и люди осознали, что спрос на удобрения стал столь высок, что никакие шахты не смогли бы удовлетворить спрос: нужна была альтернатива.
Как аммиак спас (и разрушил) мир
Когда мы сегодня приходим в супермаркет, то обнаруживаем готовые к употреблению растворы аммиака в отделе чистящих средств. Он экономичен и эффективен, прост в употреблении, и мы так привыкли к нему, что практически перестали его замечать. Это как соляная кислота, отбеливатель-хлорка или спирт: древние, всем известные вещества, которыми пользовались еще наши бабушки и прабабушки, часть повседневности.
Но для химика аммиак (NH3) – это молекула, ставшая символом важнейшего переворота современности, чуть ли не главная молекула ХХ века. Промышленный синтез аммиака лег в основу всей современной химии, он же позволил более чем семи миллиардам человек выжить на бледно-голубой точке (перефразируя Карла Сагана[7]).
Реакция, о которой идет речь, относительно проста:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Эта химическая формула сообщает, что одна молекула азота реагирует с тремя молекулами водорода, в результате образуются две молекулы аммиака. Прежде всего попробуем понять, откуда взялись эти коэффициенты, то есть почему одна молекула азота реагирует именно с тремя молекулами водорода, а не, скажем, с двумя или четырьмя.
В самом начале главы мы уже сформулировали фундаментальное правило: «Энергия не создается из ничего и никуда не исчезает». То же самое верно и для материи. Мы можем связать три атома между собой, изменить их расположение, но не можем заставить их исчезнуть или создать их из ничего. Этот закон называется законом Лавуазье, в честь французского химика Антуана Лорана Лавуазье, отца современной химии – первооткрывателя кислорода и водорода, ученого, доказавшего важность такого лабораторного инструмента, как весы, первого исследователя физиологии дыхания. Лавуазье гильотинировали по решению французского революционного трибунала под лозунгом «Республика не нуждается в ученых».
Закон гласит, что атомы, находящиеся в левой части уравнения реакции, должны быть и в правой ее части, в тех же количествах. Если мы запишем уравнение реакции как N2 + H2 → NH3, она утратит смысл: слева у нас будут два атома водорода и два азота, а справа – один азота и целых три водорода. Чтобы сбалансировать уравнение, нужно напрячь наш разум. Можно представить ее чем-то вроде судоку, головоломки из воскресной газеты: задача состоит в том, чтобы, умножая каждую молекулу на некий коэффициент, добиться равного количества атомов справа и слева. Если вы хотите развлечься, можете попробовать проверить, уравновешено ли уравнение образования глюкозы с помощью реакции фотосинтеза, приведенная в самом начале главы.
Таким образом, реакция, которую мы рассматриваем, кажется, на первый взгляд, достаточно простой. Смешиваем водород с азотом, немного нагреваем, и пожалуйте – аммиак. Само собой, все совсем не так просто. По сравнению с синтезом глюкозы из CO2 и воды, конечно, все более определенно. Если азот и водород реагируют друг с другом – у них практически нет иного выбора, как превратиться в аммиак. Но проблема в этом самом «если» – как их заставить реагировать. Вплоть до середины XIX века аммиак получали вовсе не соединением водорода и азота, а из селитры, добываемой в Чили. Технологии массового производства просто не существовало.
Революция случилась между 1905-м и 1910 годами, когда два немецких химика, Фриц Габер и Карл Бош, создали один из самых знаменитых промышленных химических процессов: процесс синтеза аммиака из элементов Габера – Боша. История этого процесса заслуживает отдельного внимания, поскольку являет собой один из ярчайших примеров того, как один и тот же человек может служить и добру, и злу, и как одно и то же научное открытие может быть использовано для спасения человечества и его же уничтожения.
Фриц Габер[8] родился в Пруссии в декабре 1868 года, в богатой семье еврейского происхождения, построившей состояние на торговле красителями и фармацевтическими препаратами. История его юности и его страсти к химии поражает современностью: мальчик смог развивать страсть к науке, вероятно, связанную с отцовским бизнесом, благодаря помощи дяди, снабжавшего его реактивами и предоставлявшего помещение. Когда Фриц закончил гимназию, отец хотел привлечь его к семейному делу, но вынужден был сдаться перед настойчивостью сына, жаждавшего продолжить учебу. Юноша продолжил обучение в Берлине под руководством Германа фон Гельмгольца и Августа фон Гофмана. Последний, считающийся одним из отцов современной органической химии, стал руководителем докторской диссертации, защищенной Габером с блеском. Прожив несколько лет в Пруссии, работая над небольшими проектами, Габер наконец поступил на работу в Цюрихский федеральный политехнический институт, потом переехал в Йену и, наконец, оказался в Карлсруэ, где проработал семнадцать лет и получил звание ординарного профессора.
Исследования синтеза аммиака он начал в 1903 году, но поначалу результаты были разочаровывающими. Обнаружилось, что даже при температуре 1000 °C выход реакции составлял не более 0,0044 %. То есть результат был практически… нулевым. Это не было совсем уж неожиданностью: уже было известно, что из-за целого ряда термодинамических причин теоретический результат этой реакции – то есть максимальное количество продукта, которое можно получить в лучшем случае, – уменьшается с ростом температуры. С другой стороны, при температуре окружающей среды реакция идет слишком медленно для получения какого-либо практического результата. Столкнувшись с этими трудностями, Габер оставил исследования аммиака, чтобы вернуться к ним несколько лет спустя из-за научного спора с Вальтером Нернстом, отцом современной электрохимии. В 1908 году, к своей огромной радости, Габер смог получить вожделенный результат: процесс пошел при температуре около 600 °C и давлении 200 атмосфер, благодаря использованию катализатора на основе осмия, и дал приемлемый результат. Карл Бош, химик, сотрудник BASF[9] (по сей день остается крупнейшим химическим предприятием в мире), смог оптимизировать процесс так, чтобы он стал доступным в промышленном масштабе. Бош использовал новый катализатор на основе железа, относительно недорогой и более эффективный по сравнению с осмием.
Сегодня слово «катализатор» уже стало словом обыденного языка, но все-таки требует пояснения: катализатор – это вещество, которое, даже присутствуя в микроскопических
