Глав: 20 | Статей: 79
Оглавление
Книги, кино и сериалы на тему глобальной катастрофы, которая меняет наш привычный мир, заставляют задуматься: а что бы я сделал на месте героев? Куда бежать, чем запасаться и как не превратиться в дикаря из «Безумного Макса», а заново построить все с нуля? Научный журналист Льюис Дартнелл знает ответы на эти вопросы. Его книга — кладезь научно-технических знаний, которые помогут восстановить цивилизацию: от советов, как получить питьевую воду из подручных средств, до объяснения, как собрать двигатель внутреннего сгорания «на коленке».

Если думаете, что перед вами руководство для выживальщиков, то вы правы лишь частично. Цель книги «Цивилизация с нуля» — познакомить читателя с историей развития науки, показать, что большинство великих открытий сопровождает не «Эврика!», а «Хм… занятно» и что из всего накопленного опыта жизненно важно знать устройство базовых вещей и основы техники, а не 100 и 1 способ повысить свою эффективность.

Химическая промышленность

Химическая промышленность

Мы часто слышим о промышленной революции, о новых умных механизмах, значительно облегчивших труд человека, существенно ускоривших прогресс и преобразивших жизнь общества в XVIII столетии. Однако не меньше, чем автоматические прядильные и ткацкие станки или рокочущие паровые машины, переход к развитой цивилизации обеспечило изобретение химических процессов для производства кислот, щелочей, растворителей и других веществ, необходимых людям.

Для удовлетворения многих важных потребностей, упоминаемых в этой книге, нужны химические агенты, помогающие превратить добытое в природе сырье в необходимые материалы или продукты. Сменятся несколько поколений возрождающегося человечества, и возросшее население уже не сможет обеспечивать спрос на жизненно необходимые вещества примитивными методами, о которых мы писали выше, так что дальнейший прогресс цивилизации окажется под вопросом.

Сосредоточимся на производстве двух веществ, становившихся в свое время причиной кризисов развития западного мира: в конце XVIII в. это была сода, в конце XIX в. нитраты. Постапокалиптическая цивилизация также неизбежно столкнется с необходимостью поддерживать достаточный запас и того и другого. Что же избавит возрождающееся человечество от необходимости добывать соду из древесной золы, а нитраты — из навоза? Начнем с промышленного синтеза соды, поскольку с него начинается история мировой химической индустрии.

Как мы видели, кальцинированная сода (карбонат натрия) — это насущно необходимое соединение, применяемое в самых разных областях хозяйства. Он незаменим в роли флюса при плавке песка для выделки стекла (сегодня больше половины производимого в мире карбоната натрия потребляет стекольная промышленность), а преобразованный в каустическую соду (гидроксид натрия), лучше любых других агентов способствует осуществлению химических реакций при изготовлении мыла и бумаги. Стекло, мыло и бумага — три главных устоя цивилизации, и начиная со Средних веков человеку для их поддержания нужен постоянный приток недорогой щелочи.

Традиционно для получения щелочей брали поташ, продукт сжигания древесины. К XVIII столетию леса на большей части Европы были вырублены, и поташ начали ввозить из Северной Америки, России и Скандинавии. Однако в ряде случаев предпочтительнее углекислая сода (карбонат натрия), ведь полученная из него каустическая сода — гораздо более мощный гидролизирующий агент, чем едкое кали. Ее производили в Испании, пережигая местное растение солерос, и на побережьях Ирландии и Шотландии — из выброшенных волнами бурых водорослей. Еще углекислую соду добывали в природных залежах рудного оксида натрия на дне высохшего озера в Египте. Но во второй половине XVIII в. население и экономика Запада настолько выросли, что спрос на соду превысил ее добычу из природных источников. Возрождающееся постапокалиптическое человечество также неизбежно столкнется с такой ситуацией. Химическая углекислая сода — близкая родственница обычной морской соли[47], запасы которой практически бесконечны. Можно ли переработать ее в жизненно важный хозяйственный ресурс?

В XVIII в. французский химик Николя Леблан открыл простой двухступенчатый алгоритм решения: сначала нужно соединить морскую соль с серной кислотой, а затем прокалить продукт реакции в печи с толченой известью и углем или древесным углем при температуре около 1000 °C, пока не образуется черная, похожая на пепел масса. Карбонат натрия, который вам нужен, растворяется в воде, поэтому его можно извлечь по той же технологии, которая применялась при сжигании водорослей. Однако, хотя процесс Леблана позволяет без труда превратить морскую соль в соду и не зависеть от запасов растений и минералов, он чудовищно неэффективен и сопряжен с образованием ядовитых отходов[48]. В идеале возрождающемуся человечеству лучше будет пропустить простой, но нерациональный процесс Леблана и сразу перейти к более эффективному варианту.

Метод, разработанный бельгийским инженером-химиком Эрнестом Сольве, чуть более сложный, но он ловко замыкает цикл добавлением аммиака: используемые реагенты восстанавливаются, и отходы, а значит, и загрязнение среды сведены к минимуму.

Процесс Сольве основан на следующей химической реакции: бикарбонат аммония соединяют с крепким рассолом, чтобы ионы бикарбоната «пересели» на натрий и образовался бикарбонат натрия (идентичный применяемому в хлебопечении разрыхлителю), который затем простым нагреванием преобразуется в кальцинированную соду. Чтобы это осуществить, рассол пропускают через две колонны, где он насыщается сначала аммиаком, а затем двуокисью углерода. Растворяясь в соленой воде, они соединяются и образуют тот самый бикарбонат аммония. Соль вступает в обменную реакцию, образуя нерастворимый бикарбонат натрия, который выпадает в осадок. На этом этапе процесса Сольве главный ингредиент — аммиак: он поддерживает в рассоле щелочную среду, достаточную для того, чтобы бикарбонат натрия не растворился, и тем самым аккуратно разделяет две соли.

Диоксид углерода, необходимый для первого этапа процесса, получают, прокаливая известь (точно таким же способом, какой описан в главе 5 для обжига извести при производстве цемента и бетона). После того как из рассола экстрагируют соду, получившуюся при прокаливании негашеную известь добавляют в рассол. Она восстанавливает закачанный туда на первом этапе аммиак, который можно использовать вновь. Таким образом, производство соды методом Сольве расходует только поваренную соль и известь, а на выходе, кроме собственно соды, мы получаем попутный продукт — чистый хлористый кальций, который применяется как антиобледенитель на зимних дорогах. Эта изящная замкнутая система, где главный реагент, аммиак, раз за разом восстанавливается для повторного использования, строится на довольно простых химических операциях и до сих пор остается основной технологией производства соды во всем мире (кроме США, где в 1930-х гг. на территории штата Вайоминг открыли богатое месторождение троны — минерала, содержащего карбонат натрия). Для возрождающегося человечества метод Сольве открывает прекрасную возможность перескочить через неэффективные и экологически грязные методы производства насущно необходимой соды.

Метод Сольве превращает легкодоступный элемент натрий (поваренную соль) в повседневно необходимое щелочное соединение — соду. Но развивающаяся цивилизация довольно скоро столкнется с нехваткой другого важнейшего материала. Один из самых нужных современному человеку химических процессов связан с азотом, и тут мы видим еще одно чудесное превращение бросового вещества в ценный сырьевой ресурс.


Если учесть, скольких людей она касается ежедневно, самой существенной технической новацией ХХ в. следует признать не воздушное сообщение, не антибиотики, не компьютеры и не атомную энергетику, а технологию получения простого и довольно неприятно пахнущего вещества — аммиака. Как мы не раз видели в этой книге, аммиак и родственные ему (и значит, химически взаимопревращаемые с ним) азотсодержащие соединения — азотная кислота и нитраты — это краеугольные камни химии, подпирающей цивилизацию. Без нитратов не обойтись в производстве удобрений и взрывчатки, но к концу XIX в. развитые страны стали испытывать дефицит этого ценного сырья. Спрос превысил предложение, и тогда американцам и европейцам пришлось крепко задуматься о том, чем вооружать армии и, хуже того, как обеспечить достаточно продовольствия, чтобы люди не страдали от голода.

Тысячелетиями у человечества был только один рецепт: если население росло, раскорчевывали больше земли под пахоту. Однако, когда доступный запас земли уже освоен, прокормить растущее число едоков можно только за счет повышения урожайности культивируемых земель, и, как мы видели в главе 3, этому способствует внесение в почву навоза и выращивание бобовых культур. А если численность населения достигает определенной пороговой величины — когда, условно говоря, все стулья заняты, — цивилизация неизбежно заходит в тупик. Нет возможности получить больше навоза от скота, поскольку для этого нужны новые пастбища, сеять больше бобовых тоже нельзя, так как тогда сократятся поля под злаки. Потенциал органического земледелия исчерпан.

Единственный выход — вносить в почву азот откуда-то извне, из-за пределов замкнутого сельскохозяйственного круга. На протяжении всего XIX в. сельское хозяйство Запада сильно зависело от привозного птичьего помета и селитры, добываемой в Чилийской пустыне. Но эти источники быстро истощились, и в 1898 г. председатель британской Ассоциации содействия наукам сэр Уильям Крукс предостерегал: «Мы одалживаемся из капитала Земли, но наши векселя не вечно будут принимать» (и нам сегодня стоило бы прислушаться к его словам, пока безудержный аппетит человечества к сырой нефти и другим природным ресурсам не истощил планету). В мире, остающемся после нас, уже не будет былых запасов природных нитратов, и взрослеющее постапокалиптическое общество упрется в эту стену довольно скоро.

В земной атмосфере много азота — в каждом вашем вдохе этот газ составляет 80 % но при этом он упорно хранит химическую пассивность. Два атома азота плотно скреплены в пару тройной связью; вообще азот — самое инертное из всех двухатомных веществ, какие мы только знаем. Поэтому его совсем не просто преобразовать в удобную форму, «связать». К концу XIX в. стало ясно, что дальнейший прогресс цивилизации зависит от того, сумеет ли человек связать азот. Выручить человечество из беды предстояло химикам.

Решение, найденное в 1909 г. и применяемое поныне, носит название процесса Гaбера — Боша. На первый неискушенный взгляд он кажется простым. Азот — самый распространенный газ в земной атмосфере, водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной: два этих компонента смешивают в соотношении один к трем в реакторе, и они, соединяясь, образуют NH3 — аммиак. Азот можно просто закачивать из воздуха, а водород сегодня получают из метана, также его легко добыть электролизом воды. Чтобы побудить азот вступить в реакцию, нужно разорвать прочные связи, сцепляющие два атома в одно целое, а для этого требуется катализатор. Пористое железо с добавлением гидроксида калия (едкого кали, о котором мы рассказывали на с. 123, 127, хорошо помогает стимулировать реакцию. Эта реакция не доходит до завершения, поэтому газы охлаждают, чтобы нужный продукт конденсировался и выпал аммиачным дождем, который сливается в емкости, а еще не прореагировавшие газы снова запускаются в реактор, пока успешно не преобразуется почти весь объем. Но, как всегда, дьявол в деталях, и на самом деле процесс Габера — Боша осуществить довольно непросто.

Многие химические реакции принципиально необратимы: поездка в один конец, во время которой реагенты перекомбинируются в новые вещества. Например, в горящей свече молекулы углеводородов воска в процессе горения окисляются до воды и углекислого газа, но обратная трансформация сама собой не произойдет никогда. Другие же химические процессы представляют собой обратимые реакции, в ходе которых два противоположных превращения происходят одновременно. «Реагенты» превращаются в «продукты», но в то же самое время последние вновь возвращаются в исходное состояние. Переход азотно-водородной смеси в аммиак — как раз один из таких обратимых процессов, и, чтобы склонить баланс в сторону нужного вещества, нужно тщательно задать условия в реакторе. Для получения аммиака это означает высокую температуру (около 450 °C) и мощное давление (около 200 атмосфер). Экстремальная среда в реакторе и трубопроводах и является причиной, по которой так непросто осуществлять процесс Габера — Боша. По сравнению с другими важными процессами, упомянутыми в этой книге и требующими использования горячих печей, например с выплавкой металла или изготовлением стекла, связывание азота — высокое достижение сложной инженерии. Если постапокалиптическому человечеству не удастся сохранить подходящий реакторный сосуд, придется научиться самим изготавливать промышленные термобарокамеры.

Но вынудить азот соединиться с водородом и образовать аммиак — это лишь первый шаг. После того как азот связан, его нужно превратить в более широко употребляемую субстанцию — азотную кислоту. Аммиак окисляется в горячем конвертере — не в печи, а в сосуде, где, по сути дела, сам газообразный аммиак служит топливом и где имеется платиново-родиевый катализатор. Этот сплав содержится в каталитических нейтрализаторах, которые устанавливаются в выхлопных системах машин, чтобы уменьшить вредные выбросы, потому его сравнительно просто будет раздобыть. Получившийся диоксид азота затем абсорбируется водой, и получается азотная кислота.

Урожайность поля не повысится, если аммиак или азотную кислоту вылить на поле в чистом виде: первый слишком щелочной, вторая слишком кислая. Но если их перемешать, они нейтрализуются, образовав соль, нитрат аммония. Она представляет собой просто волшебное удобрение, поскольку содержит двойную дозу доступного азота. Как мы видели в главе 7, нитрат аммония применяется и в медицине: разлагаясь, он высвобождает обезболивающую закись азота. Словом, процесс Габера — Боша поможет постапокалиптическому обществу дорасти до индустриальной цивилизации, избавит вас от необходимости собирать ради жизненно важного азота навоз и птичий помет, разводить в воде древесный уголь или копать в пустыне селитру, а вместо этого откроет возможность брать азот из практически неисчерпаемого атмосферного запаса.

В наши дни посредством процесса Габера — Боша ежегодно получают около 100 млн т аммиака, а изготовленные из него удобрения кормят треть населения планеты — около 2,3 млрд голодных ртов насыщаются благодаря этой химической реакции. А поскольку вещества, содержащиеся в пище, ассимилируются нашими клетками, примерно половина белков в нашем теле построена из азота, искусственно связанного при помощи технологий, изобретенных людьми. В каком-то смысле мы отчасти изготовлены на заводах.

Оглавление книги


Генерация: 0.126. Запросов К БД/Cache: 0 / 0