Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир
Шрифт:
Нитроглицерин часто был загрязнен кислотой, использовавшейся в производстве и медленно разлагавшейся. Образующиеся при этом газы иногда выбивали пробки, закрывавшие цинковые емкости, в которых нитроглицерин перевозили по морю. Кроме того, кислота разъедала баки и нитроглицерин начинал вытекать. Для изоляции баков и впитывания вытекающей жидкости использовали древесные опилки, однако этих мер было явно недостаточно. Невежество приводило к чудовищным катастрофам. Однажды нитроглицерин по ошибке использовали для смазки колес экипажа, перевозившего взрывчатку. Естественно, это привело к ужасным последствиям. В 1866 году на складе “Уэллс фарго” в Сан-Франциско взорвалась партия нитроглицерина, в результате чего погибли четырнадцать человек. В том же году пароход “Юропиан” водоизмещением семнадцать тысяч тонн взорвался у атлантического берега Панамы при выгрузке нитроглицерина. Погибли 47 человек, убытки составили более миллиона долларов. В том же 1866 году
Нобель начал искать пути стабилизации нитроглицерина без потери мощности. Очевидным путем казалось переведение нитроглицерина в твердую форму, поэтому Нобель начал проводить эксперименты по смешиванию маслянистого нитроглицерина с такими нейтральными твердыми веществами, как древесные опилки, цемент и порошок древесного угля. До сих пор ведутся споры, было ли изобретение динамита результатом систематических поисков или счастливой случайностью. Даже если это открытие произошло случайно, Нобель оказался достаточно прозорлив, чтобы понять: кизельгур — рыхлый кремнийсодержащий природный материал, который иногда использовали в качестве упаковочного материала вместо древесной стружки, может впитывать вытекающий жидкий нитроглицерин, при этом оставаясь пористым. Кизельгур, иначе называемый диатомитом или горной мукой, представляет собой окаменевшие останки мелких морских животных или водорослей и используется в качестве фильтра при производстве рафинированного сахара, в качестве изолятора, а также для полировки металлических изделий. Дальнейшие испытания показали, что при смешивании жидкого нитроглицерина с кизельгуром (3:1) происходит образование густой пасты с плотностью шпаклевки. Кизельгур стал наполнителем для нитроглицерина, и это снизило скорость распада нитроглицерина. Теперь взрыв можно было контролировать.
Нобель назвал смесь нитроглицерина с кизельгуром динамитом (от греч. dynamis — сила). Ему можно придать любую форму, он не подвержен разложению и не взрывается самопроизвольно. К 1867 году фирма “Альфред Нобель и компания” начала производить динамит, запатентованный как “безопасный взрывчатый порошок Нобеля”. Вскоре во всем мире появились заводы по производству динамита, и состояние Нобеля начало приумножаться. Может показаться странным, что Нобель, создатель оружия, был пацифистом, однако вся жизнь этого человека полна противоречий. В детстве он был болезненным ребенком, никто не ожидал, что он доживет до зрелости, однако он пережил своих родителей и братьев. Его одновременно называли застенчивым и чрезвычайно деликатным, одержимым и крайне недоверчивым, нелюдимым и очень щедрым. Нобель был твердо уверен в том, что создание страшного оружия сможет удержать людей от войны, однако прошло более столетия, появилось новое ужасное оружие, а надежда Нобеля не оправдалась. Он умер в 1896 году, работая в одиночестве за своим столом в Сан-Ремо, в Италии. Свое гигантское состояние он завещал использовать как фонд для ежегодного вручения премий за научные достижения в области химии, физики, медицины, литературы и борьбы за мир. В 1968 году Банк Швеции в память об Альфреде Нобеле учредил премию в области экономики. Теперь эта премия тоже носит название Нобелевской, хотя сам Нобель об этом не распоряжался.
Взрывчатые вещества на войне
Изобретенный Нобелем динамит нельзя было использовать в качестве источника энергии для стрельбы из пушек, поскольку они не выдерживали его мощности. Военные хотели найти другую мощную взрывчатку, которая была бы сильнее пороха, не давала облаков черного дыма, была безопасна в обращении и позволяла быстро заряжать орудия. С начала 80-х годов XIX века в качестве “бездымного пороха” стали применять разные варианты нитроцеллюлозы или смеси нитроцеллюлозы с нитроглицерином (они и сейчас используются в патронах к стрелковому оружию). Артиллерия не предъявляла столь жестких требований к взрывчатке. Во время Первой мировой войны снаряды начиняли в основном пикриновой кислотой и тринитротолуолом. Пикриновая кислота — твердое вещество ярко-желтого цвета — впервые была синтезирована в 1771 году и сначала использовалась в качестве искусственного красителя для шелка и шерсти. Эту молекулу, представляющую собой тринитрофенол, довольно легко получить.
Фенол
Тринитрофенол, или пикриновая кислота
В 1871
Тринитротолуол (ТНТ), похожий по химической структуре на пикриновую кислоту, лучше подходил для изготовления боеприпасов.
Толуол
Тринитротолуол (ТНТ)
Пикриновая кислота
Он не обладает кислотными свойствами, не боится влаги и имеет достаточно низкую температуру плавления, так что его легко расплавить и залить в бомбы и снаряды. Он хуже детонирует, чем пикриновая кислота, поэтому для его воспламенения требуется более сильный удар и, следовательно, он лучше пробивает броню. В молекуле ТНТ соотношение кислорода и углерода ниже, чем в нитроглицерине, поэтому при взрыве углерод не превращается полностью в углекислый газ, а водород полностью не переходит в воду. Уравнение взрыва ТНТ выглядит так:
Выделяющийся в результате реакции углерод образует дым, отличающий взрывы ТНТ от взрывов нитроглицерина и нитроцеллюлозы.
В начале Первой мировой войны Германия, обладавшая вооружением на основе ТНТ, имела очевидное преимущество перед французами и англичанами, которые все еще использовали пикриновую кислоту. Англия предприняла срочные меры для начала производства ТНТ, кроме того, большое количество взрывчатки поступало из Соединенных Штатов, благодаря чему Англия быстро смогла начать выпуск снарядов и бомб такого же качества, как Германия.
Следующее вещество, аммиак (NH3), сыграло еще более важную роль во время Первой мировой войны. Аммиак не относится к нитросоединениям, однако является исходным материалом для синтеза азотной кислоты (HNO3), необходимой для производства взрывчатки. Азотная кислота была давно известна ученым. По-видимому, знаменитый арабский алхимик Джабир ибн Хайян (латинизированное имя — Гебер), живший в VIII веке, знал об этом веществе и пытался синтезировать его путем нагревания селитры (нитрата калия) и сульфата железа (II) (тогда это вещество называли зеленым витриолом из-за цвета его кристаллов). В результате этой реакции выделялся газообразный диоксид азота (NO2), при пропускании которого через воду получался разбавленный раствор азотной кислоты.
Нитраты редко встречаются в природе, поскольку очень легко растворяются в воде и вымываются из всех пород, однако в чрезвычайно засушливых районах на севере Чили были обнаружены большие запасы нитрата натрия (так называемая чилийская селитра). На протяжении двухсот последних лет эта селитра служила источником нитрата для производства азотной кислоты. Нитрат натрия нагревают с серной кислотой. Затем образующуюся азотную кислоту отгоняют, поскольку она имеет более низкую точку кипения, чем серная кислота, конденсируют и собирают в охлажденные емкости.
Во время Первой мировой войны британский ВМФ перекрыл Германии доступ к чилийской селитре. Однако нитраты были стратегическим сырьем, необходимым для производства взрывчатых веществ, и Германия должна была найти выход из положения.
Нитратов в природе немного, хотя составляющие их элементы кислород и азот встречаются в изобилии. Наша атмосфера примерно на 20 % состоит из кислорода и на 80 % — из азота. Кислород (O2) является химически активным веществом, легко вступающим в реакции со многими другими веществами, а вот азот (N2) довольно инертен. В начале XX века методы “фиксации” азота (то есть его удаления из воздуха путем химического взаимодействия с другими веществами) стали уже известны, но не были реализованы в промышленном масштабе.