Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух… - Кин Сэм - Страница 13

Для этого он изготовил кварцевые пробирки высотой 8 см, укрепленные железным каркасом. В таких пробирках за счет повышения давления реакцию можно было провести при температуре на несколько сотен градусов ниже и при этом повысить выход аммиака.

Кроме игр с температурой и давлением, Габер занялся еще и подбором катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Пример — платина в катализаторе автомобиля, где расщепляются вредные вещества. Габер знал, что два металла — марганец и никель — ускоряют взаимодействие между азотом и водородом, но, к сожалению, они работают только при температуре выше 700 oC, а при такой температуре начинается обратная реакция. Поэтому он занялся поиском других катализаторов, пропуская газы над десятками металлов. В конце концов он попробовал осмий, элемент под номером 76, который когда-то использовали для изготовления электрических лампочек. В присутствии осмия реакция шла при температуре «всего лишь» 500–600 oC, а при такой температуре аммиак расщепляется не так быстро.

При помощи уравнения своего врага Нернста Габер рассчитал, что использование осмия в защищенных металлическим каркасом емкостях позволит довести выход аммиака до 8 %, что было приемлемым результатом. Но, до того как продемонстрировать свою победу над Нернстом, он должен был проверить этот результат в лаборатории. И в июле 1909 г. — после нескольких лет мучений от болей в животе, бессонницы и унижений — Габер собрал на столе последовательную цепочку из нескольких кварцевых емкостей. Затем он открыл клапаны высокого давления, позволив азоту и водороду смешаться, и с волнением стал следить за выходным отверстием на противоположном конце установки.

Прошло некоторое время: даже в присутствии осмия связи между атомами в молекуле азота разрывались неохотно. Но в конце концов из форсунки начали вытекать молочно-белые капельки аммиака. От восторга Габер выскочил в коридор с криками: «Посмотрите! Идите посмотрите!» К концу эксперимента у него набралась аж четверть чайной ложки аммиака. А потом забил настоящий фонтан — по чашке аммиака каждые два часа.

Даже при таком скромном выходе BASF решила купить эту технологию и реализовать ее. Как это часто бывало при успешном завершении работы, Габер устроил грандиозную вечеринку. «Когда она закончилась, — вспоминал один из участников, — мы могли идти домой только по прямой, вдоль трамвайных рельсов».

Открытие Габера стало поворотной точкой в истории — столь же важной, как строительство первого ирригационного канала или отливка первого железного орудия. Как было сказано впоследствии, идея получения аммиака путем фиксации атмосферного азота позволила Габеру превратил воздух в хлеб.

Однако пока его успех был только теоретическим: он доказал, что из газообразного азота можно получить аммиак (и, следовательно, удобрения), но выход аммиака в его аппарате был таким, что его едва хватило бы для подкормки помидоров на одном огороде, что уж говорить об удовлетворении нужд всего немецкого народа. Масштабирование процесса Габера для производства тонн аммиака требовало иного гения — способного превратить интересную идею в реальный процесс. Большинство руководителей компании BASF не были гениями. В аммиаке они видели лишь еще одно вещество из списка, еще один возможный источник дохода. Однако руководитель нового отдела, занимавшегося производством аммиака, тридцатипятилетний инженер Карл Бош смотрел на вещи шире. Он считал аммиак важнейшим (в том числе с финансовой точки зрения) соединением нового столетия, способным в корне изменить мировое производство продуктов питания. Как и большинство важных идей, эта идея одновременно была и вдохновляющей, и опасной.

Бош решил разобраться с каждой из множества проблем в производстве аммиака по отдельности. Одна из проблем заключалась в получении чистого азота, поскольку в воздухе, кроме азота, содержится также кислород и другие примеси. Бош обратился за помощью в неожиданное место — в пивоваренную компанию «Гиннесс». За 15 лет до этого в «Гиннессе» создали самый мощный в мире холодильник, в котором удавалось получить даже жидкий воздух (если охладить газы в составе воздуха достаточно сильно, как и все другие вещества, они перейдут в жидкое состояние). Но в данном случае Боша больше интересовал обратный процесс — кипячение сжиженного воздуха. Жидкий воздух представляет собой смесь многих веществ, и все они кипят при разной температуре. Жидкий азот кипит при температуре –196 oС. Поэтому Бошу требовалось получить какое-то количество жидкого воздуха с помощью названного холодильника, потом под давлением нагреть его и собрать пары азота. Теперь каждый раз, когда увидите мешок с удобрениями, вспоминайте компанию «Гиннесс».

Карл Бош, вдохновитель проекта по получению аммиака из газообразного азота

Вторая проблема заключалась в выборе катализатора. В лабораторных условиях осмий ускорял реакцию весьма эффективно, но он не годится для использования в промышленных масштабах: он гораздо дороже и реже золота, так что покупка такого количества осмия, которое требовалось для промышленных масштабов, просто обанкротила бы компанию. Бошу нужен был дешевый заменитель, и он перебрал все металлы из периодической таблицы. Его исследовательская группа провела 20 000 экспериментов, прежде чем остановилась на смеси оксида алюминия с кальцием и железом. Если Габер, ученый, нашел самый лучший индивидуальный катализатор, Бош, инженер, предпочел смесь.

Однако выделение чистого азота и выбор эффективного катализатора не дали бы никакого результата, если бы Бош не сумел преодолеть главное препятствие — достичь того высокого давления, которое требовалось для протекания реакции. Однажды профессор в университете сказал мне, что идеальная экспериментальная система отказывает именно в тот момент, когда получены последние экспериментальные данные: это означает, что на обслуживание оборудования время не затрачивается (таково мнение типичного ученого). Оборудование Боша должно было бесперебойно работать месяцами при такой температуре, при которой раскаляется железо, и при давлении в 20 раз выше, чем в двигателе паровоза. Когда представители руководства BASF впервые услышали эти цифры, они раскрыли рты от изумления. Один из них рассказал, что накануне в его отделе взорвалась печь, работавшая под давлением всего в семь раз выше атмосферного (а это лишь одна тридцатая того давления, при котором планировалось производить аммиак). Как Бош рассчитывал создать реакционную емкость, способную выдерживать подобную нагрузку?

Бош ответил, что не собирается делать этого самостоятельно. Он обратился за помощью в компанию Круппа, отливавшую легендарные пушки и полевые артиллерийские орудия. Заинтригованные поставленной задачей инженеры компании вскоре создали эквивалент «Большой Берты» для химической промышленности — несколько стальных емкостей высотой по 2,5 м с толщиной стенок 2,5 см. Для повышения прочности Бош укрепил эти емкости в бетоне. Как оказалось, это было весьма предусмотрительно, поскольку первая емкость взорвалась уже на третий день испытаний. Однако, как заметил один историк, «нельзя было останавливать работу из-за мелкой шрапнели». Сотрудники Боша придали емкостям дополнительную прочность с помощью химического покрытия, защищавшего их от коррозии под действием горячих газов, а затем придумали новые клапаны, насосы и пломбы, способные выдерживать сверхвысокое давление.