Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Образцов Петр Алексеевич

И вот Владимир Николаевич остается за границей, сначала в Европе, а с 1930 года — в США, куда его пригласили работать в компании UOP. Именно здесь он и осуществил свои выдающиеся работы в области катализа, хотя первым его знаменитым изобретением, сделанным еще в самом начале века, была «бомба Ипатьева» — реактор для проведения реакций при высоких давлениях и температурах. Обычно считают, что катализатор — это вещество, ускоряющее химические реакции и при этом не расходующееся. Это не совсем правильно, но в первом приближении вполне допустимо. Только вот добавим, что катализатор может реакцию не ускорять, а замедлять, но тогда это вещество называют ингибитором. Катализаторы бывают гомогенными (от греческого слова, означающего «однорожденные»), если и реагенты, и сам катализатор растворены в какой-нибудь жидкости, обычно в воде. Или все эти вещества газообразны. Но Ипатьев чуть ли не первым

использовал гетерогенные катализаторы («разнорожденные») — например, катализатор может быть твердый, а реагенты газообразные.

Он придумал катализатор, спекая кварц с фосфорной кислотой, и с помощью этой «твердой фосфорной кислоты» провел изомеризацию углеводородов нефти для повышения октанового числа бензинов. Этот «ипатьевский» бензин и заливали в топливные баки английских «спитфайеров» — быстрых одноместных истребителей Второй мировой войны.

Впрочем, вскоре появились еще более скоростные машины для ведения боевых действий и уничтожения людей — ракеты Фау-2, придуманные замечательным немецким конструктором Вернером фон Брауном. Он же разработал и состав топлива, так что в определенном смысле стал конкурентом Ипатьева, хотя Владимир Николаевич, разумеется, о засекреченном эсэсовце ничего не знал. Эсэсовце? Да, фон Браун состоял в этой страшной и преступной организации гитлеровской Германии, но, как говорится, тогда время было такое, тогда «все» были в СС. При этом в крематории великий конструктор лично никого не отправлял, хотя около 30 тысяч заключенных концлагеря, занимавшихся изготовлением его ракет, погибли от голода и болезней, но это вина профессиональных убийц, а не ученого. Более того, некоторые историки даже считают, что фон Браун был тайным врагом Третьего рейха и сознательно перенаправил германскую промышленность на создание своих революционных, но малоэффективных, неточных и очень дорогостоящих ракет вместо качественных, уже проверенных истребителей и бомбардировщиков. Министр вооружений Третьего рейха Альберт Шпеер прямо называл разработку и использование V-2 «нелепой затеей». Хотя с научной и технологической точки зрения V-2 — великое достижение.

Итак, к началу Второй мировой войны фон Браун уже накопил огромный опыт по созданию ракет на жидком топливе, в качестве которого он использовал обычный этиловый спирт. Нефти в Германии не было, румынские нефтепромыслы подвергались постоянным бомбардировкам, а спирт легко получали из картошки. Окислителем в «оружии возмездия» служил жидкий кислород, как и сейчас в ракетах многих космических держав. В 1944 году немцы начали стрелять своими V-2 по Лондону, и здесь самолеты с горючим Ипатьева сделать уже ничего не могли: ракеты летали с огромной скоростью — более 6 тысяч километров в час — и несли, каждая, 1 тонну взрывчатки. Всего по Англии, а потом и по Антверпену было выпущено около 3 тысяч снарядов, сбить их было невозможно, и только невысокая точность попадания объясняет сравнительно небольшое количество погибших от этого оружия (3 тысячи убитых, 6 тысяч раненых в Англии). Единственным способом защититься от V-2 были бомбардировки пусковых установок.

Ценные трофеи

С точки зрения разработки вооружений появление V-2 представляло собой подлинную революцию. Более того, хотя об этом у нас предпочитают не упоминать, вовсе не российская Р-7 (ракета-носитель «Спутник», или «семерка») первой оказалась в космическом пространстве, а именно V-2, причем на 13 лет раньше. В 1944 году были проведены испытания этой ракеты, в ходе которых она достигла высоты 188 километров над поверхностью Земли. Правда, ни одного оборота вокруг планеты она не сделала, а наш первый в мире спутник, запущенный в 1957 году, совершил 1440 оборотов вокруг Земли.

Немцы планировали использовать V-2 и против советских городов, в частности Ленинграда и индустриальных комплексов на Урале. Но вышло почти наоборот. После войны советским специалистам досталось в качестве трофеев некоторое количество V-2, а также часть документации на их производство. Большинство оборудования немцы уничтожили. V-2 были тщательно изучены и использованы при создании советского ракетного оружия: наша знаменитая Р-7 — всего лишь несколько модернизированная V-2. Многие конструкционные элементы «семерки» сохранила и ракета-носитель «Восток», на которой летал Юрий Гагарин. Однако топливом для этой ракеты служил уже не спирт, а керосин, хотя окислителем был тот же самый жидкий кислород, и это естественно, поскольку более сильного окислителя в природе нет. Точнее, нет подходящего сильного окислителя: жидкий фтор был бы, конечно, «посильнее», но хранить фтор и работать с этим веществом практически невозможно. Во фторе горит даже вода!

В 1947

году были собраны из немецких деталей и запущены на полигоне Капустин Яр первые 11 фактически трофейных ракет. Первую ракету из отечественных агрегатов (Р-1, или «Волга») запустили там же через год, причем Р-1 уже не была точной копией V-2 — это был усовершенствованный Королевым космический аппарат.

Несомненно, советским инженерам повезло, что в качестве трофеев они завладели V-2 и частью технической документации. Однако гораздо более ценный трофей достался американцам — они перевезли в США отца ракетной техники Германии штурмбанфюрера СС Вернера фон Брауна. Именно под его руководством была создана ракета «Сатурн», доставившая в 1969 году человека на Луну.

Отсутствие в Германии месторождений нефти, крайне необходимой для производства бензина для автомобилей и танков, заставило гитлеровцев использовать синтетическое топливо. Процесс его синтеза, доведенный до промышленного воплощения химиками Фишером и Тропшем, представлял собой получение углеводородов из так называемого синтез-газа, смеси монооксида углерода СО и водорода Н ₂. Монооксид углерода легко получается из угля, которого в Германии всегда было много. Реакция протекает исключительно в присутствии катализатора на основе солей железа, который придумали эти самые Фишер и Тропш.

На синтетическом бензине немцы провоевали всю войну, а после нее основным производителем такого топлива стала Южная Африка, поскольку на экспорт нефти в эту страну было наложено эмбарго из-за политики апартеида (расовой сегрегации). Любопытно, что образование углеводородов в результате реакции монооксида углерода с водородом считается сейчас одной из возможных схем неорганической теории образования нефти.

Синтетическая гевея

Как это ни парадоксально, но пребывание страны в состоянии изоляции от остального мира может оказать огромную услугу химической науке и промышленности. После поражения в Первой мировой войне на Германию была наложена огромная контрибуция, но это еще что! Германии было запрещено иметь сколько-нибудь серьезную армию, тяжелое вооружение, военную авиацию, подводные лодки. И в результате немецкие военные не стали производить оружие времен этой войны, а теоретически разработали принципиально новое и уже в 30-е годы, плюнув на все запреты, начали выпускать великолепные пушки и самолеты. Причем первоначально тайно испытывали их на полигонах в России, с которой Германия заключила первый в истории РСФСР межгосударственный договор — случилось это в итальянском городке Рапалло. До того образовавшуюся после Гражданской войны Советскую Россию никто из развитых стран не признавал и торговать с ней не собирался. Поэтому буквально все необходимое для нужд армии, промышленности и просто населения требовалось производить в России, самим. Со множеством вещей это кое-как получалось, но где взять каучук в стране, климат которой для выращивания гевеи никак не подходит? А без каучука даже думать об автомобилях бессмысленно, не на тележных же деревянных колесах ездить!

Попробовали найти растения, которые, подобно гевее, выделяют млечный сок, содержащий природный полиизопрен, — и вроде бы нашли. Многолетнее травянистое растение рода одуванчик под названием кок-сагыз оказалось лучшим на территории СССР каучуконосом, его стали даже специально возделывать в Белоруссии. В конце концов эпопея с кок-сагызом бесславно закончилась, поскольку урожай содержащих каучук корней был невелик, но главным образом потому, что в 1928 году выдающийся русский химик Сергей Васильевич Лебедев впервые в мире провел промышленный синтез синтетического каучука.

За два года до этого правительство республики объявило конкурс на разработку промышленного способа получения каучука (необязательно изопренового), причем документация, технологический регламент и 2 килограмма готового продукта должны были быть представлены комиссии не позднее 1 января 1928 года. Кроме того, получать каучук следовало из доступного сырья, а готовый продукт не должен был быть дороже и менее качествен, чем натуральный. И у Лебедева все получилось. Воспользовавшись своим еще довоенным открытием полимеризации дивинила (он же бутадиен) CH ₂=CH-CH=CH ₂и используя в качестве катализатора металлический натрий, он синтезировал натрий-бутадиеновый каучук вполне пристойного качества. Сырьем для получения дивинила стал обычный этиловый спирт, которого в России и других республиках СССР всегда было много. Недаром нашей национальной болезнью считается пьянство, так тесно связанное с самогоноварением, основанном на спирте из свеклы, картошки и всего, чего угодно.