От водорода до …?

Африканские месторождения, доставлявшие впоследствии 95–98 % всех добываемых в капиталистических странах алмазов, были открыты охотником за страусами. Он обратил внимание на блестящий камешек, которым играли крестьянские ребятишки на берегу Оранжевой реки. Выпросив понравившуюся «гальку», охотник показал ее сведущему специалисту, который признал в камешке алмаз. Каждое новое открытие алмазных месторождений порождало «алмазную лихорадку» среди дельцов, предпринимателей и просто авантюристов, жаждавших «сказочного» обогащения. Тысячи людей устремлялись на поиски богатства и часто находили лишь нужду, лишения, теряя здоровье, а нередко и жизнь.

Открытие алмазных месторождений в Южной Африке лишило покоя жадных до наживы английских капиталистов-колонизаторов, спровоцировавших в 1899 г. войну с маленькими бурскими[9] республиками — Оранжевой и Трансваалем. В 1902 г. война закончилась победой англичан, ставших таким образом обладателями богатейших в мире алмазных месторождений.

В течение 1954–1955 гг. богатые месторождения алмазов обнаружены у нас в Якутии. Среди алмазов, найденных в 1956 г. Амакинской экспедицией (от эвенского слова «амака», что значит «медведь») в Якутии, встречались достаточно крупные образцы. В 1957 г. был найден крупный кристалл алмаза, названный в память годовщины воссоединения Якутии с Россией «325 лет Якутии».

Обычно алмазы заключены в особой алмазоносной маточной породе — кимберлите, наполняющей гигантские трубчатые каналы, вертикально уходящие в глубь земли. Образование этих каналов, по-видимому, связано с прорывом огненно-жидкой массы из глубины земли к ее поверхности в результате гигантских извержений глубинных пород. Кристаллизация алмаза совершалась глубоко в земле под огромным давлением и при высокой температуре. До открытия африканских месторождений алмазы находили в россыпях, т. е. вдали от мест их образования среди разрушенных горных пород — песка, гравия, почвенных отложений. Содержание алмазов в россыпях обычно не превышает 5–10 каратов на один кубический метр породы.

Алмазы, служившие ранее только украшением, постепенно приобретают все большее значение в технике. Исключительная твердость алмаза дает возможность применять его для буровых наконечников, при сверлении стали, вытягивании тонкой проволоки, шлифовке изделий из камня и металла, резке стекла и твердых каменных пород. Из 19 млн. каратов алмазов, добываемых ежегодно на земном шаре, 17 млн. каратов используется в технике.

Искусственно ограненные алмазы называются бриллиантами и являются предметом роскоши. В России особую пышность и блеск приобрели бриллиантовые украшения при Екатерине II. Головокружительная роскошь двора Екатерины тяжелым бременем ложилась на плечи крепостного люда. Чтобы судить о сказочности украшений приближенных императрицы, достаточно вспомнить появление Потемкина[10] на празднике в Таврическом дворце в парадной шляпе, которую из-за тяжести многочисленных бриллиантов трудно было носить на голове. Специальный адъютант носил ее за Потемкиным в руках. Шляпе Потемкина не уступал и усыпанный бриллиантами камзол одного из вельмож екатерининских времен, изображенный кистью В. Л. Боровиковского на портрете «бриллиантового князя», хранящегося в Русском музее в Ленинграде. Бриллианты, украшающие рамки миниатюрных портретов, ручки вееров, золотые табакерки, пудреницы, часы и множество других удивительных творений искусных мастеров-умельцев XVIII и XIX вв., бережно хранятся советским народом в лучших музеях нашей страны.

Алмаз, этот исключительный по редкости и красоте драгоценный самоцвет, и в наши дни украшает знаки отличия, которыми советский народ отмечает выдающихся деятелей. Учрежденный Президиумом Верховного Совета СССР маршальский знак отличия «Маршальская звезда» имеет 31 бриллиант. Из них самый крупный помещается в центре «Маршальской звезды» и весит 2,62 карата. 5 бриллиантов, размещенных между лучами «Маршальской звезды», имеют общий вес в 3,06 карата.

Крупные алмазы — большая редкость, число их невелико и «биография» каждого была связана с переходами из рук в руки, от одного владельца к другому. История каждой такой драгоценности — это история человеческой подлости, дворцовых интриг, кровавых преступлений, чередующихся с безграничной властью восточных владык, жестокой эксплуатацией народа, ослепляющей роскошью индийских раджей, французских королей и русских царей.

Крупнейшим из когда-либо найденных на земле был алмаз «Куллинан». Этот алмаз был найден в 1905 г, и свое название получил от имени одного из владельцев рудника «Премьер», где этот алмаз был найден. До огранки он имел величину женского кулака и весил 3106 каратов (621 г). При обработке его раскололи по направлению имевшихся трещин и вырезали 105 сравнительно мелких бриллиантов. Наибольший из них, получивший название «Звезда Африки», имеет форму капли и весит 530 каратов. Вторым по величине был алмаз «Эксцельсцор», также найденный в 1893 г. в Южной Африке на руднике Ягерсфонтейн. До огранки он весил 995,3 карата. В результате обработки было получено свыше 20 бриллиантов, наибольший из них весил 70 каратов. В 1945 г. в россыпях Сьерра-Леоне в Западной Африке был найден третий по величине алмаз в 770 каратов.

В числе индийских алмазов — знаменитый «Шах», которым персидское правительство, «умилостивляя белого царя», расплатилось за кровь известного русского дипломата и выдающегося писателя А. С. Грибоедова, павшего от руки наемного убийцы 30 января 1829 г. в столице Персии Тегеране.

Плотность алмазов для чистых образцов составляет 3,52, возрастая у окрашенных образцов до 3,55. Окраска алмазов обусловливается примесями. Алмазы красивой синей, зеленой и красноватой окраски весьма редки и ценятся очень высоко. Знаменитый густо-синий алмаз «Гоппе» из Индии в 44,5 карата является одним из ценнейших в мире. Бриллиант красивого красного цвета в 10 каратов был приобретен русским императором Павлом I за 100 000 рублей.

Алмазы — хорошие проводники тепла, электризуются при трении, не представляют преграды для рентгеновских лучей и химически устойчивы. Ни одна из известных концентрированных кислот, даже при повышенной температуре, не действует на них. При нагревании до 2–3 тыс. градусов без доступа кислорода алмаз переходит в графит. Обратное превращение осуществить не удавалось, хотя опыты по искусственному получению алмазов проводились многими учеными. Особого упоминания заслуживают исследования французского изобретателя электрической печи Муассана. Муассан растворял графит в расплавленном железе и подвергал полученную массу быстрому охлаждению. Получавшаяся на поверхности расплава твердая корка сдавливала увеличивавшуюся в объеме внутреннюю массу. Растворяя в кислотах отвердевший сплав, Муассан обнаружил мельчайшие крупинки, напоминавшие по свойствам кристаллики алмаза. Открытие Муассана, опубликованное в 1893 г., произвело необыкновенную сенсацию и принесло ученому мировую известность, оставив в тени имя русского профессора К. Д. Хрущева, независимо от Муассана получившего в том же году те же результаты.

Вскоре однако были опубликованы данные, согласно которым полученные кристаллики следовало считать не алмазами, а карбидами (соединениями углерода с металлом). Первым ученым, усомнившимся в успехе Муассана, был русский минералог П. Н. Чирвинский. Попытки Чирвинского выступить с критикой опытов Муассана на страницах французской научной литературы успеха не имели. Редакция журнала «Бюллетень французского химического общества» не приняла работ Чирвинского, мотивируя это нежеланием огорчать президента общества, которым был … сам Муассан.

«Американцы не могут допустить критики Муассана» — так формулировал ответ Чирвинскому нью-йорский журнал. И слава Муассана как создателя искусственных алмазов беспрепятственно вошла не только в популярную литературу, но и во многие учебники и справочники по химии.

На XXII съезде Коммунистической партии Советского Союза президент Академии наук СССР академик М. В. Келдыш докладывал: «Методы изготовления искусственных алмазов, разработанные нашими физиками, уже применяются в промышленности. Испытания показали, что стойкость абразивного инструмента, в котором применяются искусственные алмазы, на 40 процентов выше, чем при использовании естественных».

С помощью аппаратуры, создающей необходимые условия для перехода графита в алмаз (давление 100 000 атмосфер, температура 2000 °C), американским ученым удалось наладить получение искусственных алмазов до четверти карата. Очевидно, недалеко то время, когда наука в непрерывном соревновании с природой одержит еще одну победу, и «драгоценный упрямец», «благородный» родственник угля и печной сажи будет в любых количествах «добываться» в лабораториях.

В подарок XXII съезду КПСС ученые преподнесли черную полированную коробочку, в которой находились искусственные алмазы, изготовленные уже в промышленном масштабе (весом 2000 каратов).

В отличие от алмаза графит настолько мягок, что даже легкое трение о бумагу оставляет на ней серо-стальной след. К особенностям графита относится его способность гореть в кислороде (около 890 °C) при практически совершенной огнестойкости в воздухе. Благодаря исключительной жаропрочности и химической инертности графит используется в реактивных двигателях. Способность чистого графита замедлять движение нейтронов применяется в атомной технике. Графит употребляют также для изготовления карандашей, огнеупорных тиглей для плавки стали, для смазки трущихся частей машин, для электродов электрических печей и т. п.

Древесный уголь, получаемый при нагревании древесины без доступа воздуха, является одной из разновидностей так называемого аморфного углерода. Исследованиями последнего времени установлено, что «аморфный» углерод часто представляет собой мелкокристаллический графит. Замечательной особенностью этого угля является способность осаждать и удерживать на своей поверхности (адсорбировать) различные вещества (газы, растворенные в воде краски и т. п.). Явление адсорбции было открыто в 1785 г. русским академиком Товием Егоровичем Ловицем. Он же указал и на возможность использования этих свойств угля для практических целей, например для очистки затхлой воды на кораблях, уксуса и т. п. В наставлении к морской службе указывалось: «В дальних морских путешествиях с превеликой пользой употребляют уголья для отвращения порчи воды, обжигая бочки изнутри». Оригинальное применение явление адсорбции нашло в Англии, где с помощью угля очищался воздух, подаваемый в здание парламента. Оно расположено на реке Темзе, сильно загрязненной гниющими остатками, которые и отравляют зловонием воздух.

В первую мировую войну явление адсорбции нашло исключительно большое применение в борьбе с боевыми отравляющими веществами — ядовитыми газами или парами (ОВ).

Инициатива использования боевых отравляющих веществ в качестве оружия массового уничтожения принадлежит германскому империализму. Хлор[11] был впервые применен 22 апреля 1915 г. на Западном фронте недалеко от бельгийского города Ипра против англо-французских войск. Первая атака ОВ совершенно лишила боеспособности целую дивизию, оборонявшую атакованный участок. 15 тыс. человек было выведено из строя, из них 5 тыс. навсегда.

Почти через месяц газовая атака была повторена на Восточном фронте против русских войск у местечка Воля Шидловска, в Польше. На участке фронта в 12 км при ветре, дувшем в сторону русских позиций, было выпущено из 12 000 баллонов более 150 т ядовитого газа. Внезапность нападения и полная беззащитность против ядовитого действия газа вызвали массовые и тяжелые поражения. «Газы» в эту ночь вывели из строя целую дивизию. Передовые линии атакованного газами участка, представлявшие собой сплошной лабиринт окопов и ходов сообщения, были завалены трупами и умирающими людьми. Из строя выбыло 9 тыс. человек. От сибирского полка, насчитывавшего более 3 тыс. рослых, на подбор один к одному стрелков, через 20 минут после газовой атаки осталось 140 человек. Таковы были итоги газового нападения на русском фронте.

Начавшаяся химическая война готовила человечеству неисчислимые жертвы и страдания. От этих жертв человечество было предохранено одной из разновидностей «аморфного» углерода — древесным углем.

Профессор, а впоследствии академик Н. Д. Зелинский, выдающийся химик и ученый, изобрел, провел испытания и в июле 1915 г. предложил противогаз, действующий на основе явления адсорбции. Вдыхание отравленного воздуха через угольный противогаз целиком освобождало воздух от ядовитых примесей и предохраняло солдат, защищенных противогазом, от действия газообразных отравляющих веществ.

Боевые отравляющие вещества, с помощью которых империализм рассчитывал поставить на колени миллионы людей для служения своим интересам, не оправдали себя.

Когда капитализм уйдет в прошлое и о жестокой борьбе между трестами, синдикатами, банками и отдельными странами будут рассказывать только экскурсоводы музеев в отделе «Капитализм», там будут показывать и орудия былой борьбы, созданные умом и злом капитализма. Среди ржавых дредноутов и скелетов огромных цепеллинов, крохотных пуль и цистерноподобных снарядов, микробов в хрупком стекле и газов в стальных баллонах с синими и зелеными, желтыми и черными устрашающими крестами на особом почетном стенде займет место древесный уголь, сохранивший в былых войнах миллионы человеческих жизней от ужасных мучений и смерти.

Высокая адсорбционная способность угля используется в медицинской практике, где специальные сорта угля в виде порошка, мелких зерен или таблеток (карболен) применяются как универсальное «противоядие» при разнообразных отравлениях (бактерийными токсинами, животными ядами, алкалоидами и др.), а также для дезинфекции кишечника и при некоторых заболеваниях.

Научное название углерода — «карбонеум» — происходит от латинского слова «карбо» — уголь.

Природный углерод состоит из смеси изотопов с атомными весами 12 и 13. Кроме того, в составе углерода присутствует радиоуглерод с атомным весом 14. Этот изотоп непрерывно образуется в атмосфере из азота под действием космических лучей.

Расчеты, проведенные учеными, показали, что ежегодно образуется около 9,8 кг радиоактивного углерода и что количество его на земном шаре в настоящее время составляет около 80 т. Радиоактивный углерод образует с кислородом радиоактивный углекислый газ, который вместе с обычным углекислым газом усваивается растениями, а через них попадает в организм животных. Период полураспада радиоактивного углерода составляет 5700 лет.

Постоянством интенсивности потока космических лучей (а оно, как найдено исследователями, сохранилось неизменным на протяжении последних 20 000 лет) определяется и постоянство образования радиоактивного углерода. Отсюда следует, что отношение содержания радиоактивного изотопа углерода к обычному (С14 : С12) остается в атмосфере постоянным, по крайней мере в течение последних 20 000 лет. Очевидно постоянным должно быть и содержание радиоактивного и обычного углерода в живых тканях растений, так как обмен веществ с внешней средой совершается непрерывно. Однако со смертью организма обмен веществ прекращается, а распад накопленного в тканях радиоактивного углерода продолжается по-прежнему, вследствие чего содержание радиоактивного углерода должно постепенно уменьшаться. Зная скорость распада радиоактивного изотопа углерода, можно установить время гибели организмов.

Способ измерения времени с помощью радиоактивного изотопа углерода, проверенный на предметах, «возраст» которых был точно известен по другим данным (древесина из египетских гробниц или свай, вбитых в морское дно во времена римских императоров и т. д.), дал очень хорошие результаты.

«Углеродные часы», предложенные американским ученым Либби, нашли применение в различных областях знания (археология, палеонтология, океанография и др.). Сущность метода «углеродных часов» состоит в том, что подлежащий исследованию образец сжигают в герметическом сосуде и из образовавшегося углекислого газа выделяют углерод с помощью металлического магния. Образовавшаяся окись магния растворяется в кислоте и вымывается, а оставшийся углерод высушивается и активность его измеряется специальным прибором. «Углеродные часы» дали науке ряд ценных сведений, на основании которых точно установлены такие даты, которые раньше вообще не поддавались определению или определялись весьма предположительно. Так, например, путем определения радиоактивности углерода, выделенного из древесины палубы «Солнечной ладьи», а также из древесины акации, кипариса и других деревьев, употреблявшихся при сооружении древних гробниц, были установлены даты смерти фараонов Сезотриса III (1800 г. до н. э.), Снефру (2625 г. до н. э.) и др. С помощью радиоактивного углерода установлен «возраст» рисунков бизонов, выполненных на стене пещеры в Ласко (Франция) рукой доисторического художника 15 с лишним тысяч лет назад, определен «возраст» проб воды, взятых из Атлантического океана с глубины трех километров. Ряд других вопросов успешно решен также с помощью «углеродных часов».

Изотопам углерода явно сопутствует «удача». Если углерод-14 стал выполнять роль «часов истории», то углероду-12 Международным соглашением (1960 г.; Монреаль, Канада) поручена роль эталона атомных масс. За единицу относительных атомных масс принята теперь одна двенадцатая часть атомной массы углерода-12. На смену «кислородной» шкале атомных весов с 1960 г. пришла «углеродная», что вносит некоторые изменения, правда незначительные, в числовые значения атомных масс всех элементов.

Без него нет жизни

7. Азот — Nitrogenium (N)

Безжизненным называется газ, наиболее распространенный в природе. Он — составная часть воздуха, в котором на долю этого газа приходится 78,16 % по объему и 75,5 % по массе. Масса воздушной оболочки, окружающей земной шар, составляет 5 300 000 000 000 000 т, на долю безжизненного газа приходится 4 001 500 000 000 000 т. Это почти в 10 (а точнее в 9,8) раз больше массы всего Кавказского хребта.

Несмотря на то, что изучение воздуха началось очень давно и еще древнегреческий философ Анаксимандр, живший в VI в. до нашего летоисчисления, доказал современникам существование воздуха. Состав воздуха был определен гораздо позднее — во второй половине XVIII столетия.

В 1772 г. англичанин Даниэль Резерфорд установил, что воздух, оставшийся под колоколом, где жила несколько дней мышь, освобожденный от углекислоты, не поддерживает горения и дыхания. Оставшийся под колоколом газ он назвал «ядовитым воздухом». В том же году другой английский ученый Пристли, получив «ядовитый воздух» иным путем, назвал его «флогистированным воздухом». В 1773 г. Карл Вильгельм Шееле, шведский аптекарь из города Штральзунда, установил, что воздух состоит из двух газов. Он назвал газ, не поддерживающий дыхания и горения, «дурным», или испорченным, «воздухом».

В 1776 г. известный французский ученый Антуан Лоран Лавуазье, подробно исследуя «ядовитый», «флогистированный» и «дурной» воздухи, установил тождество между ними. Одиннадцать лет спустя, будучи членом комиссии по выработке новой химической номенклатуры, он предложил назвать этот газ безжизненным (от греческих слов «а» — отрицание и «зоэ» — жизнь). Слово «азот» имеет древнее происхождение. Еще в алхимических рукописях далекого средневековья встречается термин «азот философов», в котором слово «азот» было произведено путем сочетания буквы «а» — первой во всех известных в то время алфавитах — с последними буквами латинского (зет), греческого (омега) и древнееврейского (тов) алфавитов. Полученное таким образом слово «а-з-о-т» означает «начало и конец всех начал».

Азот — газ несколько легче воздуха (1 л его весит 1,251 г), без цвета и запаха. При –196 °C азот превращается в бесцветную жидкость, отвердевающую при –210,5 °C в прозрачную бесцветную массу.

Научное название азота происходит от латинского слова «нитрогениум» (введенного в науку в 1790 г. Шапталем), что значит «рождающий селитру» — пожалуй, единственное соединение азота, в более или менее значительных количествах встречающееся в природе.

В небольших количествах селитра встречается в Закавказье (в долине реки Аракс), в Средней Азии. В начале XIX в. в Южной Америке, в пустынях Чили, были открыты крупные месторождения селитры. В настоящее время эти залежи сильно истощены, так как селитра является одним из основных предметов чилийского экспорта и представляет собой ценное удобрение, а также исходный продукт для приготовления взрывчатых веществ.

Нередко азот оправдывает свое буквальное название — «безжизненный». В 1342 г. солдаты испанского короля с ужасом, молитвами и заклинаниями отхлынули от стен Алхезираса, распространяя по Европе весть о том, что союзником арабов, оборонявших Алхезирас, является дьявольская сила, без пощады и страха перед святым крестом кидающая с грохотом, огнем и дымом каленые ядра. С того времени до настоящего дня в угоду наживе азот, входящий в состав взрывчатых веществ, работает на полях войны во славу смерти.

И все-таки вопреки своему названию азот совершенно необходим для жизни организмов. Установлено, что азот является составной частью каждой молекулы, каждой клетки любого организма, независимо от того, будет ли это невесомая бактерия или 150-тонная туша синего кита. В химическом отношении азот — довольно инертный газ. При обычных условиях он не вступает в соединения ни с металлоидами, ни с металлами (исключая литий). Находящийся в атмосфере азот представляет собой простое вещество — газ, молекулы которого состоят из двух атомов, очень прочно связанных друг с другом. Над каждым гектаром земной поверхности постоянно «висят» 80 тыс. т азота. Несмотря на огромные запасы свободного азота в природе, животные и растения не могут непосредственно его усваивать. Исключение составляют бактерии (открытые русским ученым Виноградским), развивающиеся на корнях бобовых растений. Они усваивают атмосферный азот, образуя азотистые соединения. Основная масса растений получает соединения азота из почвы, которая постепенно беднеет азотом, Внесение органических удобрений только частично пополняет убыль азота, других же путей для восполнения запасов азотистых соединений в почве не было открыто до начала XX в. На рубеже ХІХ–XX столетий приобрела популярность и серьезно обсуждалась такая нелепая идея, как «азотная смерть» человечества. Ее сторонники пытались доказать, что прогрессивная потеря азота почвой должна привести к резкому снижению урожайности полей, к наступлению «азотного голода», а за ним и «азотной смерти» всего человечества.

В противоположность этой «теории» Д. И. Менделеев в своем труде «Основы химии» писал: «Так как азотистые вещества организмов играют в них весьма важную роль (без них органической жизни нет), … то вопрос о способах превращения азота воздуха в почвенные азотистые соединения … составляет один из таких вопросов, которые представляют великий теоретический и практический интерес».

Каким же образом пополняются запасы азотистых соединений в почве? Оказывается, что эти вещества поступают в почву из атмосферы во время … грозовых ливней. При высокой температуре азот образует различные соединения с кислородом (второй составной частью воздуха) и влагой воздуха. Высокая температура создается молниями во время грозы. Всякая электрическая искра, даже самая маленькая, представляет собой мощный взрыв. При достаточно крупной искре в течение миллионных долей секунды развивается мощность, равная мощности крупной электростанции, а температура достигает нескольких тысяч градусов.

Длительность существования основного разряда молнии колеблется от 0,05 до 0,1 секунды, и сила тока достигает в среднем 20 000 ампер при напряжении 10 000 000 вольт. Мощность молнии баснословна и достигает 200 000 000 квт. Эта мощность во много раз больше, чем мощность, развиваемая в самых больших электрических установках, когда-либо созданных человеком. Такова мощность одного только разряда. А число гроз, во время которых бывают десятки и сотни таких разрядов, очень велико. Ежегодно в атмосфере земного шара происходит около 16 млн. гроз. Каждый час в различных участках воздушного океана грохочут громы и сверкают молнии двух тысяч гроз. Каждую секунду воздух пронзают молнии, которые повышают температуру на пути своего движения; азот соединяется с кислородом в окисел, хорошо растворимый в воде, образуя одно из важнейших соединений азота — азотную кислоту. Если учесть, что ливни, сопровождающиеся грозами, основательно промывают атмосферу (из грозового облака с радиусом в 5 км за одну минуту выливается до 375 000 т воды), то ни одна молекула кислородного соединения азота не «пропадает даром». Азотная кислота, попадая в почву, реагирует с находящимися в ней соединениями натрия, кальция, калия и образует соли азотной кислоты — селитры, необходимые для растений. Так, с помощью гроз безжизненный азот вовлекается в процесс жизни растений, а через них — животных и человека. Недаром народ издавна называет грозы «живоносными и животворными».

Человек скопировал у природы способ получения соединений азота. В 1901 г. норвежский теоретик, специалист по изучению северных сияний Биркеланд в сотрудничестве с инженером-практиком Эйде успешно осуществил опыты соединения азота и кислорода с помощью электричества. К началу 1905 г. уже несколько заводов стали получать азотную кислоту непосредственным «сжиганием воздуха» в пламени электрической дуги.

Однако малый выход окиси азота, а также чрезвычайно большой расход электрической энергии (на тонну связанного азота более 60 000 квтч) не оправдали скопированного у природы способа получения азотистых соединений. В конце 20-х годов эти заводы были закрыты, и способ Биркеланда и Эйде уступил свое место другим.

В 1905 г. был осуществлен в промышленности цианамидный способ связывания азота, получивший свое название от цианамида кальция, продукта соединения карбида кальция с азотом. Цианамид кальция получается в электрической печи путем пропускания азота через слой измельченного и нагретого до температуры 1000 °C карбида кальция. Технический продукт содержит от 18 до 24 % азота и в измельченном состоянии непосредственно применяется как удобрение.

Несмотря на то, что процесс получения цианамида кальция несложен, исходные материалы недороги, однако расход энергии все еще высок: на одну тонну связанного азота требуется около 10 000 квтч. Поэтому производство цианамида кальция хотя и не утратило своего значения до настоящего времени, тем не менее, начиная с 20-х годов текущего столетия, первое место в азотной промышленности занял синтез аммиака, разработанный Бошем, Габером и Нернстом.

Первый завод синтетического аммиака начал работать в Германии в 1913 г. Спустя 10 лет синтез аммиака широко применялся на многих заводах различных стран. Экономичность способа (расход энергии при получении водорода из водяного газа не превышает 1700 квтч на каждую тонну связанного азота) сделала аммиак исходным материалом для получения не только азотной кислоты, но и других азотистых соединений.

Азотная кислота и водородное соединение азота — аммиак — являются важнейшими соединениями азота, без которых не могли бы развиваться многие отрасли современной химической промышленности и сельского хозяйства. Основоположником отечественного производства азотной кислоты был инженер И. И. Андреев. В 1914 г. он разработал способ получения азотной кислоты путем окисления аммиака, образующегося при коксовании угля.

Потребность отыскания эффективного способа получения азотной кислоты, необходимой в производстве взрывчатых веществ, стала особенно остро ощущаться в России во время первой мировой войны в связи с трудностями доставки из Чили селитры. Она служила исходным материалом для получения азотной кислоты по способу, разработанному еще алхимиками (нагревание селитры в смеси с железным купоросом или квасцами). О величине этой потребности можно судить по следующим фактам: если в начале войны на заводах России изготовлялось 80 т взрывчатых веществ в месяц, то к концу 1916 г. месячная продукция составляла уже 6400 т.

Проделав огромную работу по изучению реакции окисления аммиака, подбора катализаторов для нее, действия «ядов» на эти катализаторы, конструкции аппаратов для окисления аммиака, И. И. Андреев приступил к созданию опытно-промышленной установки на коксохимическом заводе в Макеевке.

Данные о работе этой установки легли в основу проекта первого отечественного завода по производству азотной кислоты из аммиака, составленного Н. М. Кулепетовым. Этот завод был создан в Юзовке и в июле 1917 г. дал первые порции азотной кислоты.

Сейчас азотная промышленность в СССР, включающая производство аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений, является одной из наиболее мощных в мире.

Практическое применение свободного азота ограничено. Его употребляют для заполнения электрических ламп. В медицине чистый азот используется для наложения пневмоторакса при некоторых формах туберкулеза легких. Растения и животные настолько приспособились к азоту, что обычно он считается неопасным. Однако из опыта работы водолазов и кессонных рабочих на больших глубинах известно, что нередко при подаче для дыхания сжатого воздуха развивается своеобразное состояние, известное под названием «азотного наркоза», несколько похожее на алкогольное опьянение. Симптомы «наркоза» (головокружение, нарушение координации движений, спутанность сознания и др.) быстро проходят, если сжатый воздух заменяется кислородно-гелиевой смесью. Причиной «азотного наркоза» является увеличение концентрации азота, растворенного в жирах, тканях и жидкостях организма.

Когда грянет последний час капитализма, азот будет служить только процветанию человеческого общества, ибо, как указывала передовая статья газеты «Правда» еще в 1932 г., «азот в сложении с капитализмом — это война, разрушение, смерть. Азот в сложении с социализмом — это высокий урожай, высокая производительность труда, высокий материальный и культурный уровень трудящихся».

Самый распространенный

8. Кислород — Oxygenium (O)

На одной из площадей города Лидса (Англия) стоит бронзовая скульптура молодого красивого человека в модном костюме XVIII в. Волосы на голове завиты под парик. В правой руке он держит линзу, в левой — тигель с «ртутной окалиной». Поворот головы, выражение лица, пристальный взгляд выражают внимание и терпеливое ожидание результата.

В бронзе благодарные соотечественники запечатлели известного химика Пристли в момент проведения знаменитого опыта. Ниже приводится небольшая выдержка из описания этого опыта.

«Достав линзу с диаметром в два дюйма и с фокусным расстоянием в двадцать дюймов, я начал исследовать с ее помощью, какой род воздуха выделяется из разнообразнейших веществ, естественных и искусственно приготовленных. После ряда других опытов 1 августа 1774 г. я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и нашел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое изумление, когда я обнаружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению».

Если сказать, что во времена Пристли все газы назывались «воздухами», окислы металлов «окалинами», а линза являлась инструментом для получения высокой температуры путем собирания солнечных лучей в фокусе, то все станет понятным в описании опыта Пристли. Он открыл кислород. Однако это было окончательно установлено через 2 года работами Лавуазье, который за способность вновь открытого газа поддерживать дыхание назвал его сначала «жизненным воздухом», заменив впоследствии это название латинским словом оксигениум, заимствованным из греческого языка, где слово «оксюс» означало «кислый» и «генао» — «рождаю», «произвожу» (рождающий кислоту).

Таким образом, на русский язык, как и в случае с водородом, буквально переведено название элемента.

Независимо от Пристли кислород был обнаружен шведом Шееле и естествоиспытателем Байеном.

Кислород — вторая по количеству и важнейшая для жизни составная часть воздуха, в котором на долю кислорода приходится 21 % по объему и 23 % по весу. Количество свободного кислорода в атмосфере земного шара оценивается в 1 000 000 000 000 000 с лишним тонн. Столько же весит миллиард пирамид Хеопса — наиболее крупное сооружение древности (для перевозки материала одной пирамиды понадобилось бы 9000 товарных поездов). Несмотря на громадность этой величины, вес свободного кислорода не превышает и 0,0001 содержания его в земной коре. Кислород обязателен для существования жизни.

Если на какой-либо планете будут обнаружены кислород, вода и благоприятный интервал температур, можно утверждать, что там есть условия для жизни.

Из всех веществ природы кислород наиболее распространен. Земная кора до глубины 10–15 км почти на 50 % ее веса состоит из кислорода. Песок содержит 53 % кислорода, в глине его — 56 %, в человеческом организме — 65 %, в составе воды — около 89 %, а ведь одна только вода покрывает 2/₃ поверхности земного шара.

Кислород — газ, сравнительно плохо растворимый в воде; в 100 объемах воды при температуре, близкой к нулю, растворяется около пяти объемов кислорода (4,89). Растворение кислорода имеет огромное значение для дыхания животных организмов, населяющих водоемы.

Литр кислорода весит (1,4289) немного больше равного объема воздуха (1,293).

При охлаждении до минус 183 °C кислород превращается в голубую жидкость, притягивающуюся магнитом, тяжелее воды (плотность 1,124).

Кислород в технике получают из жидкого воздуха, пользуясь более высокой температурой кипения жидкого кислорода (–183 °C) в сравнении с жидким азотом (–195,8 °C). Получают также и электролизом воды, но это значительно дороже.

Источником кислорода может быть также перекись водорода, второе соединение водорода с кислородом, в котором в отличие от воды содержится не один, а два атома кислорода. Перекись водорода — вязкая, сиропообразная бесцветная жидкость, в которой, по выражению Д. И. Менделеева, «…заключается кислород, сжатый, так сказать, втиснутый (внутренними) силами элементов в другое вещество, легко выделяющийся из соединения и поэтому действующий как кислород в момент выделения».

Для беления шелка, соломы и других материалов в промышленности, а также в косметике применяется 3-процентная перекись водорода. 99–100-процентная перекись водорода в годы второй мировой войны использовалась фашистской Германией для снабжения кислородом подводных лодок дальнего действия и запуска ракетных снарядов (Фау-1) при обстреле Лондона. Работы по изысканию способов концентрирования перекиси водорода велись в строжайшей тайне задолго до войны.

Разложение перекиси водорода, сопровождающееся образованием воды и кислорода, идет с огромным выделением тепла. Этого тепла достаточно для того, чтобы образующаяся при разложении перекиси вода превратилась в пар, нагретый до 750 °C. Применение перекиси водорода в ракетных двигателях определенного типа на этом и основано.

Кислород находит широкое применение в технике как интенсификатор (активатор) химических процессов (производство серной и азотной кислот, в металлургии).

Большое сродство кислорода и водорода используется для восстановления металлов водородом из окислов. Преимущества этого способа перед другими (восстановление углем, окисью углерода и др.) заключается в том, что металл получается свободным от углерода и его соединений (карбидов). Кислород применяется при получении высоких температур. Для этого различные горючие газы (водород, светильный газ, ацетилен) сжигают в смеси с кислородом. Высокая температура, достигаемая в пламени специальных горелок (до 3000 °C), используется для сварки и резки металлов. В качестве курьеза следует отметить, что «изобретателем» резки металла с помощью кислородно-водородного пламени явился… взломщик несгораемых сейфов, впервые в 1890 г. в городе Ганновере сделавший разрез в стенке стального сейфа.

Жидкий кислород, как это в свое время предвидел «отец ракетоплавания» К. Э. Циолковский, применяется в реактивных двигателях.

Широкое применение находит кислород в медицине при лечении тяжелых заболеваний легких, сердца, почек, а также при некоторых отравлениях, в частности газами (окисью углерода, боевыми отравляющими веществами).

Следует заметить, что один вдох кислорода равноценен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании кислорода этот газ не только поступает в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает его силы для самого процесса дыхания.

При прохождении электрических разрядов через кислород он превращается в новое, газообразное вещество, названное швейцарским химиком Шенбейном озоном (от греческого «озо», что значит «пахну»). Обнаружен озон был в 1785 г. голландским физиком Ван-Марумом.

В чистом виде озон был получен только в 1922 г, немецкими химиками Е. Ризенфельдом и Г. Швабом. При высоком давлении (150 атм) и сильном охлаждении (–112,3 °C) озон превращается в темно-фиолетовую жидкость, затвердевающую при дальнейшем охлаждении в темно-фиолетовую кристаллическую массу.

По химическим свойствам озон во много раз активнее кислорода. Он легко обесцвечивает краски, разрушает органические вещества; фосфор, сера переводятся в соответствующие окислы. Даже серебро легко соединяется с озоном.

Окислительные свойства озона определяют и значимость его в практике, где он применяется для отбелки и уничтожения запаха жиров и масел, дезинфекции воздуха, стерилизации воды, поступающей в городской водопровод, и т. д.

Озон постоянно находится в воздухе в незначительных количествах (0,000001 % по объему). В воздухе полей, хвойных лесов и океанов озона больше, чем вблизи жилищ. У поверхности воздушного океана (на высоте 15–30 км) озон образуется под действием на кислород ультрафиолетовых лучей.

В жизни человека и животных озон играет важную роль, о которой многие и не подозревают. Озон спасает… от слепоты! А она неизбежно бы поражала животные организмы вскоре после рождения, если бы в атмосфере отсутствовал озон, общее содержание которого соответствует слою газа вокруг земного шара толщиною всего лишь… в три миллиметра.

Дело в том, что из общей массы лучей, посылаемых Солнцем на Землю, озон поглощает главным образом ультрафиолетовые, которые чрезвычайно вредны для сетчатой оболочки глаза. В обычных условиях оставшиеся ультрафиолетовые лучи поглощаются целиком хрусталиком, однако помощь хрусталика стала бы недостаточной, если бы количество ультрафиолетовых лучей увеличилось. Это было бы неизбежным при уменьшении содержания озона в воздухе, не говоря уже об его исчезновении.

Однако и увеличение количества озона грозит опасностью не менее страшной, чем первая. Ультрафиолетовые лучи, необходимые для образования витамина Д, важнейшего из витаминов при формировании организма, целиком поглощаясь озоном, не достигали бы Земли, и образования витамина не происходило бы. Отсутствие этого витамина привело бы к вымиранию животных и человека.

Так в озоне выявляется ярчайший пример единства противоположностей, переход количества в качество, зависимость от условий проявления, когда в одной причине одновременно сосредоточены неизмеримая польза и огромнейший вред.

От кислорода озон отличается строением молекулы: молекула кислорода состоит из двух атомов, в образовании озона принимают участие три атома кислорода. Разница невелика, но как она сказывается на свойствах обоих веществ!

Животные и человек всю свою жизнь находятся в воздухе, в котором 23 % по весу свободного кислорода. Пребывание же в атмосфере с содержанием озона порядка 1 : 1 000 000 уже вызывает чувство усталости, головную боль; при более высоких концентрациях к этим симптомам добавляется тошнота, кровотечение из носа, воспаление глаз, перерождение сердечной мышцы, смерть.