Дело в химии. Как все устроено?

Сегодня удобрения стали относительно дешевыми, но в конце XIX века методы эффективного синтезирования азотсодержащих молекул еще не существовали, и единственной возможностью оставалась добыча нитрата натрия (NaNO₃) из природных месторождений. Во второй половине XIX века и первой половине века ХХ эти месторождения были столь ценным ресурсом, что нитрат натрия называли «белым золотом». В Чили, – главном экспортере этого минерала, – экспорт нитрата натрия приносил 60–80 % всех экспортных доходов. Шахты «чилийской селитры» – так назывался нитрат натрия в те времена – были столь ценны, что из-за них между Чили и Боливией с Перу происходили даже вооруженные столкновения, получившие название Тихоокеанская война, которая продолжалась с 1879-го по 1884 год.

Прошло не так уж много времени, и люди осознали, что спрос на удобрения стал столь высок, что никакие шахты не смогли бы удовлетворить спрос: нужна была альтернатива.

Как аммиак спас (и разрушил) мир

Когда мы сегодня приходим в супермаркет, то обнаруживаем готовые к употреблению растворы аммиака в отделе чистящих средств. Он экономичен и эффективен, прост в употреблении, и мы так привыкли к нему, что практически перестали его замечать. Это как соляная кислота, отбеливатель-хлорка или спирт: древние, всем известные вещества, которыми пользовались еще наши бабушки и прабабушки, часть повседневности.

Но для химика аммиак (NH₃) – это молекула, ставшая символом важнейшего переворота современности, чуть ли не главная молекула ХХ века. Промышленный синтез аммиака лег в основу всей современной химии, он же позволил более чем семи миллиардам человек выжить на бледно-голубой точке (перефразируя Карла Сагана[7]).

Реакция, о которой идет речь, относительно проста:

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃

Эта химическая формула сообщает, что одна молекула азота реагирует с тремя молекулами водорода, в результате образуются две молекулы аммиака. Прежде всего попробуем понять, откуда взялись эти коэффициенты, то есть почему одна молекула азота реагирует именно с тремя молекулами водорода, а не, скажем, с двумя или четырьмя.

В самом начале главы мы уже сформулировали фундаментальное правило: «Энергия не создается из ничего и никуда не исчезает». То же самое верно и для материи. Мы можем связать три атома между собой, изменить их расположение, но не можем заставить их исчезнуть или создать их из ничего. Этот закон называется законом Лавуазье, в честь французского химика Антуана Лорана Лавуазье, отца современной химии – первооткрывателя кислорода и водорода, ученого, доказавшего важность такого лабораторного инструмента, как весы, первого исследователя физиологии дыхания. Лавуазье гильотинировали по решению французского революционного трибунала под лозунгом «Республика не нуждается в ученых».

Закон гласит, что атомы, находящиеся в левой части уравнения реакции, должны быть и в правой ее части, в тех же количествах. Если мы запишем уравнение реакции как N₂ + H₂ → NH₃, она утратит смысл: слева у нас будут два атома водорода и два азота, а справа – один азота и целых три водорода. Чтобы сбалансировать уравнение, нужно напрячь наш разум. Можно представить ее чем-то вроде судоку, головоломки из воскресной газеты: задача состоит в том, чтобы, умножая каждую молекулу на некий коэффициент, добиться равного количества атомов справа и слева. Если вы хотите развлечься, можете попробовать проверить, уравновешено ли уравнение образования глюкозы с помощью реакции фотосинтеза, приведенная в самом начале главы.

Таким образом, реакция, которую мы рассматриваем, кажется, на первый взгляд, достаточно простой. Смешиваем водород с азотом, немного нагреваем, и пожалуйте – аммиак. Само собой, все совсем не так просто. По сравнению с синтезом глюкозы из CO₂ и воды, конечно, все более определенно. Если азот и водород реагируют друг с другом – у них практически нет иного выбора, как превратиться в аммиак. Но проблема в этом самом «если» – как их заставить реагировать. Вплоть до середины XIX века аммиак получали вовсе не соединением водорода и азота, а из селитры, добываемой в Чили. Технологии массового производства просто не существовало.

Революция случилась между 1905-м и 1910 годами, когда два немецких химика, Фриц Габер и Карл Бош, создали один из самых знаменитых промышленных химических процессов: процесс синтеза аммиака из элементов Габера – Боша. История этого процесса заслуживает отдельного внимания, поскольку являет собой один из ярчайших примеров того, как один и тот же человек может служить и добру, и злу, и как одно и то же научное открытие может быть использовано для спасения человечества и его же уничтожения.