Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…
Шрифт:
Этот человек был в равной степени мошенником, грабителем и предприимчивым исследователем. За несколько дней до Рождества 1890 г. в отеле, расположенном над Банком Нижней Саксонии в Ганновере, остановился постоялец, назвавшийся Смитом. Он попросил портье поселить его в конкретный номер (вероятно, с определенным видом из окна), а также выдать ключи от номеров на другой стороне коридора – для его сестры и отца, которые должны были прибыть следом. Затем он поднялся по лестнице, стараясь не греметь багажом.
Выждав несколько дней, ранним рождественским утром Смит извлек из чемодана зонт и пилу и выпилил кусочек пола. В банке этажом ниже никого не было, так что он просунул в отверстие зонт, чтобы не рассыпать стружки, и прорезал дыру большего размера. Затем он достал
Дальше в дело вступил Смит-грабитель. Вместо того чтобы нанимать охрану для защиты сейфа, где хранилось семь миллионов немецких марок, банк предусмотрел хитроумную электронную систему защиты. Сейф находился в подвале, и попасть в него можно было только по винтовой лестнице, которую подключили к системе сигнализации: при малейшем давлении на ступени начинала реветь сирена. Однако Смит знал, что для отключения сигнализации достаточно разъединить лишь несколько проводков, ведущих к ступеням. Он сделал это и радостно спустился вниз.
Теперь пришла очередь исследователя. В подвале Смит достал из мешка несколько позвякивающих канистр с кислородом, а также длинный тонкий инструмент, состоящий из двух металлических цилиндров длиной около 15 см и диаметром 1,5 см. На конце каждого цилиндра болталась резиновая трубка. Одну трубку он присоединил к вентилю газового освещения, который пропускал обогащенную метаном (CH4) газовую смесь, а другую – к канистре с кислородом. Он начал потихоньку выпускать оба газа и достал из мешка последний элемент экипировки – коробок спичек. А дальше направил наконечник готового газового резака на железный сейф.
Химики предыдущего столетия (непреднамеренно) обеспечили научную базу этого преступления, объяснив суть процесса горения. В частности, они обнаружили три необходимых условия горения, коими являются топливо, энергия и так называемый окислитель. Окислители отнимают электроны у других соединений, и это важно, поскольку именно электроны осуществляют все химические превращения (предмет химии как раз и заключается в изучении того, каким образом атомы воруют, обменивают и делят между собой электроны). Кислород является отличным окислителем и, отбирая электроны у метана (топлива), делает молекулу метана неустойчивой. Неустойчивый метан и кислород взаимодействуют между собой со взрывом, претерпевая серию быстрых химических превращений, приводящих в конечном счете к образованию так называемых оксидов (таких как диоксид углерода, углекислый газ). Но есть одно условие: кислород не начнет атаковать топливо без инициации тепловой энергией. Для этого нужны спички. Далее реакция протекает с выделением большого количества тепла, так что процесс поддерживает сам себя.
Добиться горения несложно: передайте энергию кислороду, дайте ему возможность прореагировать с топливом и ждите в сторонке.
Однако Смиту нужно было сделать еще один шаг. Пламя он получил, но его задача заключалась в том, чтобы вскрыть железный сейф.
Чтобы понять механизм следующей стадии, нужно вспомнить о знаменитом французском химике Антуане Лавуазье, который в 1776 г. обнаружил замечательные свойства железа. Все металлы плавятся и горят при характерной для каждого из них температуре (под «горением» здесь подразумевается то же, что и раньше, только в роли топлива выступает металл). Для большинства металлов температура плавления ниже температуры горения, но железо ведет себя противоположным образом. Железо горит при температуре 1000 °C, а плавится при 1500 °C. И здесь кроется неожиданное преимущество. Вспомним, что при горении выделяется тепло. Представьте, что вы получили пламя с температурой 1000 °C. Под действием этого пламени железо загорится с выделением тепла, от которого окружающее железо разогреется и начнет плавиться. Так вы «бесплатно» получите дополнительный нагрев: небольшая часть железа сгорает, расплавляя все остальное.
Лысеющий седобородый инженер по имени Томас Флетчер осознал возможности практического применения этой реакции в конце 1880-х гг. и создал газовый резак на основе кислорода и богатого метаном природного газа. Нельзя сказать, что этот инструмент резал железо, как сабля режет масло, но Флетчеру все же удалось резать железо без ножа, что было серьезным достижением. Флетчер даже надеялся, что ему удастся заработать на этом изобретении. Но когда он демонстрировал свой резак на торговой выставке в 1888 г., его стенд окружили производители сейфов и хранилищ, и один из них заметил, что такой инструмент может применяться только в разбойничьих целях и поэтому должен быть запрещен. От Флетчера потребовали прекратить опыты. Он отказался, а через несколько лет никому не известный, но находчивый Смит каким-то образом раздобыл резак Флетчера.
Процесс вскрытия сейфа занял больше времени, чем предполагал Смит. Отчасти это объяснялось геометрией вырезаемой дыры. Смит вырезал в стенке сейфа прямоугольное отверстие размером 30 x 50 см. Окружность той же площади имела бы меньший периметр, и, следовательно, на нее ушло бы меньше топлива. Однако диагональ прямоугольника больше диаметра круга той же площади, поэтому в дыру легче пролезть. Смит выбрал прямоугольник и рассчитал, что ему хватит трех канистр кислорода. К половине второго он израсходовал две канистры и почти закончил третью.
Наконец кусок железа поддался. Он вынул его и просунул внутрь руки, ожидая нащупать мягкие пачки немецких марок. Но руки наткнулись на что-то холодное и твердое – это был еще один слой железа. Сейф имел двойные стенки! Scheisse.
Смит быстро взбежал по лестнице, потом по веревочной лестнице и втянул ее к себе в комнату. Затем он собрался, переоделся и спустился в холл гостиницы, где объяснил портье, что у него срочные дела и что именно сейчас, в два часа дня в Рождество, он вынужден сесть на поезд и отправиться в Кёльн. Смит уверил портье, что скоро вернется, чтобы забрать багаж и оплатить счет. Да-да-да…
Смита больше никто и никогда не видел, однако история на этом не закончилась. В последующие десятилетия технология газовых режущих инструментов быстро развивалась: инженеры создали новые инструменты, а химики открыли более активные газовые смеси. Кроме того, некоторые химики по-новому взглянули на описанную Лавуазье реакцию и разработали более интересный метод быстрой резки железа.
В этом новом методе, названном кислородной резкой, кислород под высоким давлением направляют на горячую железную поверхность. Как было сказано выше, при определенной температуре горячее железо и кислород начинают гореть, то есть вступают в химическую реакцию с выделением света и тепла. Но этот процесс можно рассматривать и в другом аспекте. В результате реакции между кислородом и железом образуются различные соединения, называемые оксидами железа; некоторые из них называют ржавчиной. Таким образом, горение и ржавление – родственные процессы, между которыми существует очевидное химическое сходство*.
Разница, однако, заключается в скоростях этих процессов: ржавление автомобиля может длиться годами, но при температуре выше 1000 °C оксиды железа образуются очень быстро. Важно заметить, что оксиды железа образуются быстрее, чем железо плавится. Таким образом, если вы хотите разрезать стальную деталь на две части, проще осуществить «химическое ржавление» вдоль линии разреза, чем пытаться расплавить деталь вдоль этой линии. Именно это и делает кислородный резак: он ускоряет ржавление вдоль линии разреза. Этот процесс отличается от процесса, предложенного Флетчером. В методе Флетчера кислород в первую очередь был необходим для поджигания метана. Затем пламя метана сжигало фрагмент железа, который, в свою очередь, расплавлял остальную массу железа. С помощью кислородного резака вы одновременно получаете пламя и нагреваете металл. Но, не ожидая плавления металла под действием тепла, кислородный резак направляет отдельную струю кислорода непосредственно на поверхность металла. Этот дополнительный кислород вызывает быстрое «химическое ржавление». Таким образом, можно сказать, что в роли резака выступает сам газ.