Дело в химии. Как все устроено?

Фриц Габер[8] родился в Пруссии в декабре 1868 года, в богатой семье еврейского происхождения, построившей состояние на торговле красителями и фармацевтическими препаратами. История его юности и его страсти к химии поражает современностью: мальчик смог развивать страсть к науке, вероятно, связанную с отцовским бизнесом, благодаря помощи дяди, снабжавшего его реактивами и предоставлявшего помещение. Когда Фриц закончил гимназию, отец хотел привлечь его к семейному делу, но вынужден был сдаться перед настойчивостью сына, жаждавшего продолжить учебу. Юноша продолжил обучение в Берлине под руководством Германа фон Гельмгольца и Августа фон Гофмана. Последний, считающийся одним из отцов современной органической химии, стал руководителем докторской диссертации, защищенной Габером с блеском. Прожив несколько лет в Пруссии, работая над небольшими проектами, Габер наконец поступил на работу в Цюрихский федеральный политехнический институт, потом переехал в Йену и, наконец, оказался в Карлсруэ, где проработал семнадцать лет и получил звание ординарного профессора.

Исследования синтеза аммиака он начал в 1903 году, но поначалу результаты были разочаровывающими. Обнаружилось, что даже при температуре 1000 °C выход реакции составлял не более 0,0044 %. То есть результат был практически… нулевым. Это не было совсем уж неожиданностью: уже было известно, что из-за целого ряда термодинамических причин теоретический результат этой реакции – то есть максимальное количество продукта, которое можно получить в лучшем случае, – уменьшается с ростом температуры. С другой стороны, при температуре окружающей среды реакция идет слишком медленно для получения какого-либо практического результата. Столкнувшись с этими трудностями, Габер оставил исследования аммиака, чтобы вернуться к ним несколько лет спустя из-за научного спора с Вальтером Нернстом, отцом современной электрохимии. В 1908 году, к своей огромной радости, Габер смог получить вожделенный результат: процесс пошел при температуре около 600 °C и давлении 200 атмосфер, благодаря использованию катализатора на основе осмия, и дал приемлемый результат. Карл Бош, химик, сотрудник BASF[9] (по сей день остается крупнейшим химическим предприятием в мире), смог оптимизировать процесс так, чтобы он стал доступным в промышленном масштабе. Бош использовал новый катализатор на основе железа, относительно недорогой и более эффективный по сравнению с осмием.

Сегодня слово «катализатор» уже стало словом обыденного языка, но все-таки требует пояснения: катализатор – это вещество, которое, даже присутствуя в микроскопических количествах, ускоряет химическую реакцию. Представьте себе шарик, находящийся в равновесии на вершине горы: в этом случае катализатором послужит некая сила, которая подтолкнет шарик, чтобы он скатился со склона. Катализатор – это «посредник», он не оказывает влияния ни на исходную точку, ни на точку прибытия, он просто ускоряет процесс движения. И его роль далеко не банальна, ведь без катализатора многие реакции стали бы столь медленными, что просто бы никогда не закончились. Кроме того, существуют конкурирующие между собой реакции: из двух реагентов А и В могут путем разных реакций получиться как вещество С, так и вещество D, и так далее, но именно катализатор делает одну реакцию быстрее другой, и она становится победителем относительно других. Замечательными примерами катализаторов служат ферменты в нашем организме, способствующие химическим реакциям, постоянно происходящим в наших клетках, и управляющие ими. В случае отсутствия или поломки того или иного фермента, последствия, как правило, плачевны.

В промышленном производстве правильный катализатор служит залогом успеха и определяет экономическую выгоду.

Именно поэтому процесс Габера – Боша произвел революцию – впервые в истории он сделал производство аммиака (и других производных азота) в широких масштабах экономически успешным, устранив зависимость от запасов полезных ископаемых.

Этот успех позволил Габеру стать одним из ведущих ученых прошлого века. Благодаря открытию он возглавил новый Институт физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма и плодотворно сотрудничал с самыми известными академическими учеными своего времени, в том числе и с Альбертом Эйнштейном, с которым они стали друзьями. Все это случилось в период 1912–1913 годов, когда мировая война уже была на пороге.

В Первую мировую войну нитратные запасы стали стратегическими не только потому, что служили удобрениями, но и потому, что они легли в основу производства боеприпасов. Когда Великобритания начала блокаду Германии на море и военный флот Великобритании схлестнулся с флотом Германской империи, поставки селитры из Чили были приостановлены, и немцы вынуждены были обратиться за помощью к новым технологиям, созданным Габером и Бошем, чтобы произвести аммиак, а из него необходимые нитраты.