Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

Чтобы по-настоящему оценить значение этих материалов, я расскажу об их основных свойствах и функциях, кратко опишу историю технических достижений и эпохальных изобретений, которые сделали возможным их дешевое и массовое производство, а также приведу примеры огромного разнообразия их применения в современном мире. Начну я с аммиака — потому что без него невозможно прокормить растущее население земли — а затем перейду (в порядке возрастания мировых объемов производства) к пластику, стали и цементу.

Аммиак: газ, который кормит мир

Из этих четырех веществ именно аммиак заслуживает первого места в списке (несмотря на мою нелюбовь к классификации!) самых важных материалов. Как я уже объяснял в предыдущей главе, без его использования в качестве главного азотного удобрения (непосредственно или как сырья для синтеза других азотных соединений) было бы невозможно накормить от 40 до 50 % населения планеты, численность которого приближается к 8 миллиардам. Еще раз повторим: в 2020 г. почти 4 миллиарда человек не смогли бы выжить без синтетического аммиака. Подобных жизненно важных ограничений нет у пластика стали или цемента, необходимого для производства бетона (и, как уже отмечалось выше, у кремния).

Аммиак — это простое неорганическое соединение, состоящее из одного атома азота и трех атомов водорода (NH₃), а это значит, что 82 % его массы приходится на водород[175]. При атмосферном давлении это невидимый газ с характерным неприятным запахом несмытого туалета или разлагающегося навоза. В низких концентрациях он может вызвать головную боль, тошноту, рвоту; высокие концентрации вызывают раздражение слизистой оболочки глаз, носа, рта, горла и легких, а очень высокая концентрация может привести к мгновенной смерти. В отличие от аммиака, аммоний (NH₄⁺, ион аммония), образующийся при растворении аммиака в воде, нетоксичен и не способен проникать через клеточные мембраны.

Синтезировать такую простую молекулу оказалось на удивление сложно. История изобретений изобилует случайными открытиями, и в этой главе о материалах будет уместен пример тефлона. В 1938 г. химик компании Kinetic Chemicals Рой Планкетт и его ассистент Джек Ребок синтезировали тетрафторэтилен в качестве нового охлаждающего вещества. Вскоре выяснилось, что закачанный в баллоны тетрафторэтилен при охлаждении полимеризовался, превратившись в политетрафторэтилен, белый порошок, напоминающий парафин. После Второй мировой войны тефлон стал одним из самых популярных синтетических материалов и, возможно, единственным вошедшим в политический жаргон (у нас был «тефлоновый» президент[176], а «бакелитовых» не было — хотя «железная» леди все же была)[177].

Синтез аммиака из составляющих его веществ относится к противоположному классу открытий — лучшие специалисты шли к четко поставленной цели, пока она не была достигнута одним из упорных исследователей. В период с 1850 по 1900 г. население промышленно развитых стран Европы и Северной Америки выросло с 300 до 500 миллионов человек, и быстрая урбанизация способствовала изменению питания людей, когда скудный рацион, в котором преобладали зерновые, сменился более калорийным, содержащим больше продуктов животного происхождения и сахара[178]. Урожайность не увеличилась, но изменения в рационе опирались на беспрецедентный рост площади пахотных земель: с 1850 по 1900 г. около 200 миллионов гектаров лугов в Северной и Южной Америке, России и Австралии были превращены в поля[179].

Развивающаяся агрономическая наука указывала на то, что в XX в. единственный способ прокормить растущее население — повысить урожайность, увеличив насыщение почвы азотом и фосфором, двумя ключевыми макроэлементами, необходимыми для растений. Добыча фосфатов (сначала в Северной Каролине, а затем во Флориде) и их обработка кислотами открыли надежный способ обеспечения сельского хозяйства фосфорными удобрениями[180]. Но у человечества по-прежнему не было такого же надежного источника азота. Добыча гуано (разложившегося помета птиц с относительно высоким содержанием азота) на тропических островах быстро истощила самые богатые источники, а растущий импорт чилийских нитратов (в засушливых северных регионах страны имеются богатые месторождения азотнокислого натрия) не мог удовлетворить будущий мировой спрос[181].