Помоги проекту - поделись книгой:
В 1911г. была сдана в эксплуатацию первая небольшая опытная установка синтеза аммиака. Когда после некоторых усовершенствований процесса выходы аммиака увеличились, в г. Оппау был построен первый завод, принадлежавшей БАСФ. В конце лета 1915 г. этот завод начал производить ежедневно до 10 т аммиака. Дальнейшее улучшение технологии позволило в 1915 г. довести годовой выпуск аммиака до 35 000 т. Наконец, в 1916 г. был построен еще один завод в г. Лейна (вблизи Мерзебурга).
Небольшая перегонная установка (1910 г.)
Аммиак можно было использовать не только для получения удобрений, но и для производства взрывчатых веществ. И именно поэтому правительства Австро-Венгрии и Германии смогли продолжать первую мировую войну, принесшую неисчислимые страдания и беды многим народам. После окончания войны метод Габера — Боша мог быть вновь использован для производства удобрений.
Габер, Бош и Митташ добились поразительного научного и технического успеха: из такого имеющегося в неограниченном количестве сырья, как атмосферный азот, стало возможным получать любые количества аммиака — важнейшего для экономики вещества.
Благодаря производству удобрений можно было предотвращать неурожаи, вызываемые истощением почв. Благодаря аграрно-научным и аграрно-техническим мероприятиям удалось значительно повысить продуктивность каждого гектара земли и тем самым резко увеличить производство продуктов питания.
Синтез красителей
Анилин[227]
Синтез органических красителей явился результатом развития органической химии, исследования многочисленных соединений, выяснения их строения и разработки методов искусственного получения многих из них в лаборатории. Традиционный способ получения красителей — красного краппа и синего индиго — из растений в 1870-1900-х годах был заменен синтетическим способом получения этих продуктов.
При коксовании угля наряду с другими продуктами образуются газы и каменноугольная смола. Газы использовались для освещения, а смола применялась для получения толя и для проконопачивания судов. Однако большую часть смолы выбрасывали либо в море, либо в отработанные карьеры. И чем больше ее накапливалось, тем острее вставала проблема ее удаления или использования. В 1819 г. Александр Гарден открыл в каменноугольной смоле бесцветное кристаллическое вещество — нафталин. М. Фарадей в 1825 г. обнаружил в сжиженном светильном газе бензол.
В 30-е годы прошлого столетия Фридлиб Фердинанд Рунге[228] на химической фабрике вблизи Ораниенбурга начал систематическое изучение каменноугольной смолы. В 1833 г. он открыл в ней несколько веществ: пиррол, хинолин, розоловую кислоту, фенол (который впоследствии ошибочно назвали карболовой кислотой) и ксианол, из которого при окислении его хлорной известью выделялся фиолетовый краситель. Этот краситель был уже получен в 1826 г. Отто Унфердорбеном при сухой перегонке индиго и был назван им кристаллином. То же вещество получил Карл Юлиус Фрицше при нагревании индиго со щелочью и назвал его анилином от испанского названия индиго (anil — синий). Через два года Николай Николаевич Зинин показал, что это вещество может быть получено при восстановлении нитробензола[229].
Из анилина при действии на него хлорной извести Рунге получил синий краситель, а при действии бихромата калия и серной кислоты — черный краситель, однако ему не удалось внедрить синтезы этих красителей в промышленность.
Прошло 20 лет, прежде чем в 1856 г. 18-летний У. Перкин-старший сумел получить на своем специально созданном для этого предприятии открытый им ранее анилиновый краситель, который позже получил название "мовеин".
В дальнейшем А. Гофман начал изучать производные анилина и возможности их использования в качестве красителей. В 1856 г. при действии тетрахлорида углерода на неочищенный анилин, содержащий толуидин, Гофман получил краситель "анилиновый красный". Через год это же вещество получил в Лионе Эмануэль Верген и назвал его фуксином (из-за красного цвета растения фуксий). Кроме того, Гофман выделил красители, названные затем "гофман фиолетовый" и "метиловый зеленый". Однако их окраска быстро выгорала, а потому эти вещества не представляли большого интереса как красители.
В последующие десятилетия химики открыли ряд других производных анилина, например "метиловый фиолетовый", "малахитовый зеленый", "анилиновый голубой". Некоторые химики (например, Эмиль Фишер, Адольф Байер) начали изучать строение красителей, другие (например, Генрих Каро) занялись разработкой промышленных методов их получения.
Установка для получения индиго
Очень скоро к анилиновым красителям присоединились другие. В 1858 г. Петер Грисс при обработке ароматических аминов азотной кислотой получил диазосоединения. С 1861 г. один за другим были открыты и получены промышленным способом несколько азокрасителей, таких, как "анилиновый желтый" или "бисмарк коричневый". Последний краситель Роберт Кох[230] использовал для окрашивания микроскопических препаратов туберкулезных палочек.
В 80-е годы XIX в. из бензидина и других диаминов были получены тетраазокрасители, например "конго красный" или "хризалин". Они были особенно интересны для процесса крашения потому, что окрашивали хлопчатобумажные ткани без предварительного протравливания.
Тем временем Карл Гребе и Карл Либерман установили строение красящего компонента красителя, получаемого из корня краппа. В 1868 г. им удалось осуществить синтез крапп-красителя — ализарина, но они не довели этот синтез до промышленной разработки. В 1869 г. Гребе, Либерман и Каро разработали другой способ получения ализарина, который оказался более пригодным для внедрения в промышленность; он был использован на предприятих БАСФ. Этот синтез состоял из следующих стадий: из антрацена (окислением бихроматом) получали антрахинон, после сульфирования которого образовывалась антрахинонсульфокислота. В результате щелочного плавления ее на воздухе получался ализарин
Август Вильгельм Гофман (1818-1892)
Синтетический ализарин оказался намного дешевле ализарина, получаемого из корня краппа. Поэтому вскоре выращивание краппа было прекращено.
Индиго[231]
Количество синтезированных красителей все увеличивалось. В 1867 г. Карл Александр Марциус получил "желтый Марциуса" — нафталиновый краситель, а в 1876 г. Г. Каро синтезировал "метиленовый синий" — краситель, содержащий серу. Однако "короля" красителей — индиго получали, как и прежде, традиционным путем — из индигоносных растений. Стоимость этого красителя была высокой, а потребление его во всем мире составляло около 5 млн. кг в год.
В 1866 г. исследованием строения индиго занялся А. Байер[232].
Адольф фон Байер (1835-1917)
Венцом экспериментальных работ Байера было установление строения индиго и получение синтетического индиго.
К числу работ, предваривших это открытие, относится исследование Байером изатина — продукта окисления индиго- и его синтез. В 1869 г. Байер писал, что. для синтеза индиго следует ввести в бензол двучленную углеродную цепь и атом азота и соединить их между собой. Такой вывод он сделал, изучая нитрокоричную кислоту. В результате многочисленных синтезов ему удалось в 1870 г. получить индоксил, в 1883 г.- индиго, а вслед за этим установить его строение. На установление молекулярного строения и синтеза этих столь необходимых красителей ушло почти два десятилетия, а для создания их промышленного производства понадобилось еще 15 лет. Лабораторный синтез Байера, в котором исходным веществом была коричная кислота, не мог быть внедрен в промышленность из-за высокой стоимости исходного продукта. Только Карлу Хейману удалось разработать рентабельный метод, который в 90-е годы был использован компанией БАСФ и "Предприятиями "Хёхст" по изготовлению красителей". К. Хейман установил, что индиго можно получить при сплавлении фенилгликоколя (фенилглицина) с едким кали[234]. Исходными веществами являлись имеющиеся в достаточном количестве анилин, уксусная кислота, хлор и щелочь.
Тем не менее вначале промышленный эксперимент закончился неудачно: выходы были слишком незначительными, чтобы можно было сбить цены на природный растительный индиго. К этому надо добавить, что рентабельность метода была гарантирована лишь позднее благодаря использованию амида натрия в качестве конденсирующего агента. К. Хейман нашел, что высоких выходов можно достичь при использовании антраниловой кислоты в качестве исходного материала. Вскоре химики начали поиски удобного метода синтеза этой кислоты, которую получали из фталевой кислоты. Наконец, удалось получить фталевую кислоту при нагревании нафталина с концентрированной серной кислотой в присутствии катализатора — солей ртути. К этому времени благодаря контактному методу, использовавшемуся на предприятиях БАСФ, серную кислоту уже можно было получать в больших количествах. В 1897 г. на предприятиях БАСФ началось промышленное изготовление синтетического индиго. На "Предприятиях "Хёхст" по изготовлению красителей" химики вскоре нашли еще один выгодный метод получения индиго, в котором исходными веществами служили бензол или "анилиновое масло".
Заводская установка для производства анилиновых красителей (около 1910 г.)
В 1901 г. был открыт другой класс кубовых красителей, которые окрашивали растительные и искусственные волокна без предварительного протравливания. Рене Бон, ведущий химик БАСФ, положил начало синтезу этого вида красителей, создав синий краситель, названный им индантреном. Получали индантрен при щелочном плавлении 2-аминоантрахинона при температуре 150-200° С с добавлением нитрата калия. За этим красителем последовали другие кубовые красители, например флавантрен и пирантрен. Благодаря их светоустойчивости и нечувствительности к влаге они пользовались широким спросом у потребителей.
Искусственные ткани
Стремление исследователей получать аналоги природных веществ путем химических превращений и растущая экономическая потребность в этих веществах привели в конце XIX в. к развитию нового направления в химии — созданию искусственных материалов. Это направление вскоре стало приобретать все большее значение и для промышленности, и для населения. Во второй половине XIX в. численность населения быстро возрастала. Это объяснялось, с одной стороны, достижениями химии и медицины в борьбе с возбудителями болезней, широким использованием профилактических прививок против оспы и других эпидемических заболеваний с высоким уровнем смертности, а с другой — распространением гигиенических навыков у населения. Благодаря применению минеральных удобрений и введению более рациональных способов производства сельскохозяйственной продукции улучшилось питание людей. При этом городское население, численность которого в связи с процессом индустриализации быстро увеличивалась, было в достаточной степени обеспечено продуктами питания.
Сырье для текстильной промышленности (шерсть, лен, хлопок, шелк) также поставлялось сельским хозяйством. Хотя нехватка этих природных продуктов еще не ощущалась, все же, как только были достигнуты успехи в многочисленных синтезах органических веществ, химики начали поиск новых, более дешевых исходных материалов и для текстильной промышленности. Однако только в конце XIX в. Луи Барниго де Шардонне удалось создать новый метод получения искусственных волокон.
Этому предшествовало открытие в 1846 г. Христианом Шёнбейном нитроцеллюлозы и способности ее растворяться в спиртоэфирной смеси. В 1855 г. было обнаружено, что если спиртоэфирный раствор нитроцеллюлозы (коллодий) — густую, сиропообразную жидкость — пропускать через узкие фильеры, то образуются быстро застывающие нити. Однако при этом слишком велика была опасность взрывов раствора нитроцеллюлозы. Только после того, как в 1883 г. И. Свен нашел способ денитрования целлюлозонитратных нитей, появилась возможность разработки удобных методов получения тканей из искусственных волокон. В 1891 г. Шардонне удалось создать в Безансоне первую фабрику по производству искусственного волокна и получить нитрошелк и шелк, названный его именем. И хотя нитрошелк имел существенные недостатки — горючесть и потеря прочности в результате денитрования,- предприятия по производству искусственных волокон начали вскоре создаваться во многих европейских странах.
В 1857 г. Эдуард Швейцер обнаружил, что целлюлоза растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди(П) (реактив Швейцера). Образовавшийся раствор отфильтровывали и пропускали через фильеры в кислую осадительную ванну, содержащую серную кислоту, кислые соли и т.п. Таким образом удавалось превратить целлюлозу в нити, С 1899 г. в Германии этим методом стали производить нити, получившие название "блестящий материал" ("гленцштоф").
Другой метод был основан на открытии Пауля Шутценбергера (1865г.): хлопковый подпушек при растворении в ледяной уксусной кислоте в присутствии уксусного ангидрида и катализатора превращался в триацетатцеллюлозу, а затем перерабатывался в ацетилцеллюлозу. В 1913 г. было налажено производство ацетатного шелка. Из ацетилцеллюлозы получали, кроме того, пленку, которая в отличие от нитроцеллю-лозной пленки не воспламенялась.
Английские ученые Чарльз Фредерик Кросс, Эдвард Джон Бивен и Клейтон Бидл разработали метод получения вискозы. В 1892 г. вискоза уже появилась в продаже. Согласно этому методу, листы целлюлозы помещали в 18% -ный раствор едкого натра, затем отжимали, разделяли на волокнистые кусочки и, наконец, в течение дня выдерживали без доступа воздуха. При этом происходили различные процессы: разрушение полимерной структуры молекул целлюлозы, гидратация и т.п. Обработанная таким образом целлюлоза превращалась затем при действии сероуглерода в так называемую вискозу — натриевую соль ксантогената целлюлозы. Вязкий продукт реакции должен был быть очищен для более легкой коагуляции вещества при разливе из фильер и погружении нитей в солевой раствор, подкисленный серной кислотой.
Позднее из вискозных нитей получили штапельное волокно; из целлюлозы получали массу, которая выходила из фильер либо в виде нитей, либо в виде пленки. В продажу этот материал поступал под названиями "целлофан", "транс-парит", "гелиоцель".
В 1913 г. 1 кг искусственного волокна стоил 12,25 марки, 1кг шелка-сырца — 41,40 марки, 1кг шерсти — 3,65 марки, 1 кг американского хлопка — 1,30 марки. Искусственные нити применялись для изготовления чулок, вязаных изделий, шелкового трикотажа, обивочных тканей и т.д. В 1920-е и 1930-е годы было налажено уже крупномасштабное производство искусственного шелка.
Вискоза, которую можно было получать не из хлопка, а из древесины, имела также большое значение. В 1930 г. в объеме мирового производства тканей из искусственных волокон доля вискозных тканей достигла 86% и лишь 14% приходилось на долю остальных искусственных волокон.
В 1930-е гг. были разработаны химические методы полимеризации низкомолекулярных веществ с образованием линейных высокомолекулярных соединений, которые могли служить исходным веществом для создания тканей, полученных, таким образом, исключительно синтетическим путем. Хотя 1930-е годы уже не относятся к теме нашей книги, мы остановились вкратце на этом периоде потому, что, как писал Г.Кларе[235] [173, с. 4], уже на рубеже столетия "был найден принцип получения синтетических нитей из неразложенных расплавленных высокополимерных веществ". В то время у некоторых химиков был уже "в руках полученный из аминокапроновой кислоты или капролактама полиамид, который сегодня становится исходным материалом, получаемым в больших промышленных масштабах для поликапролак-тамового волокна" [173, с. 4]. Однако тогда значение этого открытия еще не было осознано.
Прежде чем из полимеров получили синтетическое волокно, в 1921 г. Г. Штаудингером было установлено макромо-лекулярное строение таких высокомолекулярных природных веществ, как каучук и другие коллоидные вещества, а в 1926 г. доказано существование макромолекул, в состав которых входят тысячи атомов. Исследование строения макромолекул стало возможным благодаря разработке в 1910-1920 гг. новых физических и физико-химических методов (ультрацентрифугирование, осмометрия, дифракция рентгеновских лучей и вискозиметрия) [174, с. 3]. В 1929 г. У. Карозерс начал фундаментальные исследования циклизации и полимеризации органических молекул. В 1932 г. Карозерс и Хилл обнаружили, что из расплавленных полиэфиров, которые путем молекулярной перегонки переводятся в "суперполиэфир" (термин Карозерса), можно вытянуть нити, которые, затвердевая при охлаждении, превращаются в бесконечные волокна. Однако лишь спустя несколько лет было налажено промышленное производство синтетического волокна из полиамида. Со временем искусственные ткани приобретали все большее значение, и производство их стремительно возрастало [174, с. 6, 9].
Пластмассы
В конце XIX — начале XX вв. началось развитие производства пластмасс — целлулоида, бакелита, галалита. Начало этим работам положил Александр Паркес, получивший в 1865 г. ксилонит из смеси нитроцеллюлозы, спирта, камфоры и касторового масла. Следом за ним Джон Уэсли Хьят получил целлулоид из смеси динитроцеллюлозы и камфоры. Целлулоид был пригоден для изготовления пленок, расчесок, "пластичного стекла", жестких воротничков и т.п. В 1897 г. полимеризацией казеина с формальдегидом удалось получить галалит — роговидную массу, которая стала использоваться в качестве заменителя природного рога, слоновой кости, янтаря, черепахового панциря, коралла и т.д.
Уже в 1872 г. Адольф Байер установил, что при взаимодействии альдегидов с фенолами образуются смолообразные вещества. Однако только Лео Хендрик Бэкеланд открыл научное значение этого процесса и в 1906 г. начал получать синтетические смолы из фенола и формальдегида. Эти смолы под названием "бакелит" стали ценным материалом, особенно для развивающейся электротехнической промышленности, а позднее и радиопромышленности. Производство пластмасс (с 1927 г. и на основе метилполиметакрилата) благодаря их широкому и разнообразному применению очень быстро превратилось в 1920-1930-е годы в крупную отрасль промышленности.
Каучук
Мировое потребление каучука в 1890 г. составляло 26 975 т; 20 лет спустя — 96 500 т, а еще через 10 лет — уже 342 500 т. Из них только на долю США, где в 1903 г. Генри Форд наладил массовое производство автомобилей, приходилось 170 000 т. Для химии эти цифры имели особое значение, поскольку они отражали все возрастающую потребность промышленности в каучуке. До 1900 г. химики мало интересовались каучуком, хотя в 1761 г. Макер первым занялся его химическим исследованием, а с 1768 г. из каучука стали изготовлять первые пробки и шланги для соединения стеклянных трубок.
B 1820 г. Томас Хэнкок получил патент на эластичную ткань, изготовленную из каучука, а через три года Ч. Макинтош изготовил из нее водонепроницаемые изделия. Значительного успеха в обработке каучука достиг Чарльз Гудьир (1839 г.), создав способ горячей вулканизации этого материала. В 1846 г. Т. Хэнкок разработал способ получения резиновых изделии путем формования. Вслед за ним в том же году А. Паркер открыл метод холодной вулканизации резины, а через шесть лет Хэнкок наладил производство эбонита. В 1896 г. Д. Данлоп изобрел резиновые шины.
Позднее владельцы фабрик резиновых изделий стали оказывать поддержку научным исследованиям в этом направлении. Первые усовершенствования коснулись ускорения процесса вулканизации, которое было достигнуто благодаря добавлению в резину анилина, а с конца XIX — начала XX вв. для этого процесса стали использовать и другие органические основания.
Изобретение велосипеда и автомобиля вызвало к жизни большую потребность в шинах и обусловило тем самым огромный подъем каучуковой индустрии и химических исследований в этой области. Химики не только пытались улучшить натуральный каучук путем добавления различных веществ (например, оксида цинка), но также искали пути получения синтетического каучука. Для этого уже имелись предварительные данные: С. Химли в 1835 г. писал, что при сухой перегонке каучука образуется жидкость, кипящая при 33-40° С; он дал ей название "фарадаин". В 1861 -1862 гг. Ч. Уильяме таким же путем выделил кипящий при 32° С 2-метил-1, 3-бутадиен и назвал его изопреном. Поначалу на его исследование не обратили должного внимания. Интерес к этой работе усилился лишь после того, как в 1882 г. У. Тильден получил изопрен из терпенов и сумел установить его строение. В 1896 г. В. Н. Ипатьев осуществил синтез изопрена из ацетилена и ацетона[236]. Первый промышленный синтез каучука путем полимеризации диметилбутадиена при нагревании провел в 1909 г. Фриц Гофман. В 1913 г. был получен диметилбутадиеновый каучук, который, однако, не был похож на природный каучук. Гофман нашел органические вещества, ускоряющие процесс полимеризации, и его исследования позднее легли в основу крупного промышленного производства синтетического каучука на заводе Буна, созданного в 1936 г. в Шкопау (вблизи Мерзебурга). Отныне синтетический каучук был не только похож на природный, но по свойствам во многом превосходил его[237].
Нефть[238]
В своем развитии нефтяная индустрия прошла такой же путь, как промышленность синтетического каучука; ее колоссальный подъем тоже был связан с созданием автомобильной, а несколько позже и авиационной промышленности. В 1900 г. добыча нефти во всем мире составляла около 20 млн. т, через 20 лет — 27 млн. т, а еще восемью годами позже — уже 190 млн. т.
Нефть была известна еще в античные времена и использовалась прежде всего для освещения, а также как топливо. В XVIII в. была усовершенствована масляная лампа благодаря изобретению плоского фитиля, пришедшего на смену круглому, а также созданию горелки с круглой насадкой (1782 г.) и применению стеклянного колпака в керосиновой лампе (1783г.). Однако значительно техника освещения улучшилась лишь после того, как в 1854 г. путем несложной перегонки и очистки нефти стали получать керосин. По сравнению с масляной лампой керосиновая лампа обладала еще и другим преимуществом: поскольку керосин подымался по фитилю, резервуар, в который он наливался, можно было размещать ниже горелки, в то время как для нефти резервуар следовало располагать выше горелки или накачивать нефть.
В течение десятилетий керосиновая лампа была самым широко распространенным источником света. Керосин использовался также как растворитель и как средство для очистки поверхностей в технике и медицине. Широкое использование керосина, а также возросший спрос на смазочные масла для машин и железнодорожного транспорта, для которых не хватало теперь масел растительного и животного происхождения, привели к тому, что добыча нефти возросла. В 1859 г. Эдвард Л. Дрейк разработал технологию бурения нефтяных скважин и геологической разведки залежей нефти.
Вследствие развития методов перегонки нефти, аналогичных методам перегонки спиртов, стало возможным получение керосина и других веществ. Самые низкокипящие фракции нефти вначале считались бесполезными. Из высококипящих при нормальном давлении фракций прежде всего получали парафин. До 1900 г. самым ценным продуктом перегонки нефти была средняя фракция — керосин. Его очищали от примесей с помощью серной кислоты, едкого натра и других веществ.
Появление большого количества двигателей внутреннего сгорания и автомобилей, а позднее самолетов изменило характер нефтяной промышленности и химической переработки нефти. Низкокипящие нефтяные фракции приобрели важное значение; они использовались под названием "бензин". Большое развитие получили способы повышения выходов бензина. До 1913 г. бензин выделяли только путем несложной перегонки — так называемый бензин прямой гонки. Эти технологические методы все меньше соответствовали требованиям, предъявляемым к горючему для автомобильной и авиационной промышленности. Положение изменилось совершенно случайно: один из инженеров в шт. Пенсильвания (США) по невнимательности перегрел котел с нефтью. Оказалось, что при этом получаются более высокие выходы нужных низко-кипящих фракций. На основе этого в 1913 г. Уильям Бартон разработал термический крекинг-процесс, в результате которого помимо всего прочего стало возможным превращение высокомолекулярных углеводородов в низкомолекулярные. Этот процесс был вначале детально изучен, а затем так усовершенствован, что в бензиновые фракции стали переводить почти половину добываемой нефти. Вскоре этот процесс был дополнен созданием способа каталитического гидрирования ненасыщенных углеводородов, образующихся при крекинге нефти.
В 1920-е годы развитие авиации привело к дальнейшему росту потребности в высокосортном бензине. В 1928 г. из 195 млн. м сырой нефти было получено около
Заводы БАСФ на разных этапах (1866, 1873, 1961 гг., Людвигсхафен)
В странах, располагавших небольшими запасами нефти, или там, где ее не было совсем, химики пытались найти способ получения бензина и других горючих продуктов из угля. Фридрих Бергиус заложил основы названного впоследствии его именем[239] метода получения жидких углеводородов путем гидрирования угля под давлением. Первые опытные установки были созданы в 1921 г. вблизи Мангейма, а промышленный синтез был осуществлен впервые в 1927 г. В 1922 г. Франц Фишер и Ганс Тропш начали опыты по гидрированию монооксида углерода; в конце концов, используя различные катализаторы при нормальном давлении и соответствующих температурах, они получили бензин, дизельное топливо и твердые углеводороды (парафины). В 1930-е годы метод Фишера — Тропша был доведен до промышленного использования. Позднее в послевоенные годы вследствие увеличения добычи нефти и газа этот метод перестал быть рентабельным[240].
Другими важными областями, в которых химические исследования привели к развитию крупнотоннажной промышленности, были фотография, производство вакцин, ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства, производство душистых и ароматических веществ, витаминов.
Итак, на протяжении одного исторического периода начиная с 60-х годов XIX в. экспериментальные и теоретические результаты развития органической и неорганической химии положили начало развитию крупной индустрии, методы которой базировались на научной основе, техническое оснащение находилось на высоком уровне, а производство и сбыт были организованы в соответствии с рациональными экономическими критериями.
В 1892 г. Генрих Каро в своем докладе о развитии анили-нокрасочной промышленности указал на внушительные размеры заводских установок в химической промышленности, на научное и техническое обоснование методов, которое было гарантией целесообразности и результативности проводимых процессов. Условиями подъема химической промышленности "стали детальнейшая специализация производства, широкое проникновение науки в практику, постоянная поддержка работы изобретателей, успехи теоретической и прикладной химии и непрерывно меняющаяся конъюнктура, строго осуществляемое разделение труда и планомерно проводимое гармоническое взаимодействие всех усилий от первого до последнего". Основное значение придавалось высокой квалификации руководителя, его деловитости, прилежанию, порядку и экономии. Там, где не выполнялось даже одно из этих условий наступали застой и упадок [105, с. 959-1105].
Химические процессы и продукция химических производств
В предыдущих разделах книги рассмотрены основные направления крупнотоннажной химической промышленности, которые были чрезвычайно важны для развития самой химической индустрии и других отраслей промышленности, а также сельского хозяйства. Наряду с этими направлениями и вместе с ними получили развитие многочисленные производства — специальные химические и области промышленности, где использовались химические методы. Всех их перечислить здесь совершенно невозможно. Чтобы показать читателю необозримость этих направлений, коротко остановимся лишь на некоторых из них.
Электрохимия
Сразу после открытия химического действия электрического тока некоторым ученым казалось, что электрохимические явления можно использовать лишь для сугубо практических целей: для разложения солей (1803 г.), получения щелочных металлов — натрия и калия (1807г.), или для выделения металлического алюминия (1827 г., Ф. Вёлер). В 1855 г. А. Сент-Клер Девилль использовал электрохимический метод для получения алюминия в довольно значительных количествах. Однако технические возможности этого метода тогда были очень ограниченны. Стоимость алюминия была так же высока, как и стали, и этот легкий металл служил только для изготовления драгоценных изделий. В гальванотехнике электрохимические методы использовались для золочения и серебрения.
Поскольку для развития электрохимических производств необходимо много дешевой электроэнергии, то крупная электрохимическая промышленность смогла возникнуть лишь после того, как в 1867 г. Вернер Сименс на основе сформулированных им принципов электродинамики создал динамо-машину. В 1880-е годы уже повсюду крупные электрохимические производства (электролитические и электротермические) стали перерастать в самостоятельные отрасли индустрии. К важнейшим из них относятся электролиз хлоридов Щелочных металлов (1884 г.) (мембранный метод был открыт Брейером в 1884 г. и усовершенствован Биллитером[241], ртутный метод был открыт в 1892 г. Кастнером и Келлером), получение йодоформа из иодида натрия и водного раствора спирта, получение перманганата калия. Особое значение имело производство алюминия, а также электролитическое получение хлора и меди и электротермическое получение карбида кальция.
Промышленный метод электролитического получения алюминия был разработан в 1880-е годы независимо друг от друга М. Холлом и П. Эру. Они обнаружили, что оксид алюминия может растворяться в расплавленном криолите, а при электролизе расплава можно выделить чистый алюминий. В последующие десятилетия во многих странах были построены алюминиевые заводы. В 1884 г., т.е. до открытия нового метода, во всем мире было произведено 11т алюминия, в 1913 г.- уже 66 700 т, а в 1928 г. производство алюминия достигло 240 000 т.
Металлургия[242]
Успехи в рационализации металлургического производства, в частности выплавки чугуна и переработки медной руды, начались с работ Р. Бунзена по анализу доменных и колошниковых газов. Анализируя колошниковые газы, Бунзен установил, что с ними выносится из печи 50% и более тепла, необходимого для процесса. Почти все приборы и методы для газового анализа он разработал сам. В основу анализа газов Бунзен положил их поглощение и сжигание. В книге "Газометрические методы" Бунзен описал ход анализа: отбор пробы, методику анализа газовой смеси, способы определения различных газов, методы определения плотности пара, поглощение отдельных газов различными жидкостями, диффузию и сжигание газов.
Исследования Бунзена способствовали дальнейшему усовершенствованию газового анализа, особенно в промышленности. Клеменс Винклер и Вальтер Хемпель разработали несложный в обращении прибор для быстрого и точного анализа. Результаты этих исследований принесли большую пользу металлургической промышленности: благодаря совершенствованию конструкции печей удалось значительно уменьшить расход топлива при проведении плавки металлов. Были разработаны также новые методы выплавки стали, которые вообще впервые сделали возможным ее крупнотоннажное производство. Это в свою очередь способствовало увеличению темпов строительства железных дорог, мостов, автомобилей и других машин.
В 1856 г. Генри Бессемер "произвел революцию" в выплавке стали, предложив использовать для этой цели специальные устройства — конвертеры, получившие впоследствии название "бессемеровские". В конвертере грушевидной формы расплавляли чугун и через форсунки продували в расплав воздух. В результате ряда реакций с кислородом воздуха яселезо очищалось от кремния и большей части углерода. Правда, для выплавки стали нельзя было использовать чугун с большим содержанием фосфора до тех пор, пока Сидни Дж. Томас в 1877 г. не предложил выкладывать внутренние стенки бессемеровского конвертера основной футеровкой из обожженного известняка, который превращал образующийся при плавке пентоксид фосфора в фосфат кальция. После этого в производстве железа и стали начали использовать сырье из крупных месторождений фосфорсодержащих железных руд на западном побережье Англии и в Лотарингии. Побочно в томасовском процессе получалось искусственное удобрение, так называемый томас-шлак.
Важным для металлургии стал метод улучшения сортности (легирование) стали путем добавления точно дозированных количеств различных металлов или других веществ, свойства которых, а также возможности использования были уже изучены химиками. Например, в 1882 г. Роберт Эббот Хэдфилд получил патент на получение "марганцевой стали", содержащей 12% марганца. После нагревания до 1000° С и охлаждения в воде она становилась тверже обычной стали. Добавлением к стали в определенных соотношениях различных металлов (хрома, ванадия или вольфрама) были получены и другие легированные стали. В 1916 г. Катаро Хонда, добавив к вольфрамовой стали кобальт, получил сплав с высокими магнитными свойствами. Через три года Элвуд Хейнс изготовил нержавеющую сталь, содержавшую добавки хрома и никеля.
Спички
Добывание огня (с помощью угольного трута и "серного" фитиля), которое вплоть до XIX в. представляло собой сложное занятие, было коренным образом изменено с изобретением веществ, которые воспламенялись при достаточно низких температурах. Иоганн Вольфганг Дёберейнер, изучивший каталитические свойства платины, в 1823 г. сконструировал "огниво", основанное на воспламенении струи водорода, направленной на губчатую платину[243]. Через четыре года Джон Уокер создал фосфорные спички, которые, однако, вследствие их легкой воспламеняемости и ядовитости использовались мало. После того как в 1845 г. Антон Шрёттер открыл неядовитый красный фосфор, Рудольф Бёттгер в 1848 г. изобрел безопасные спички. "Зажигательная смесь" (хлорат калия, сульфид сурьмы и гуммиарабик[244]), используемая в этих спичках, возгоралась только при трении ее о поверхность, покрытую красным фосфором.
Промышленное производство спичек началось в 1860-е годы в Швеции, откуда они распространились по всему миру[245]. В начале XX в., после того как Ауэр Вельсбах открыл в 1904 г. пирофорный сплав церия и железа, появились современные зажигалки. Например, зажигалка марки "Ауэрметалл" позволяла получать устойчивое пламя. С этого времени добывание огня стало легким делом, доступным даже ребенку.
Бумага
Во второй половине XIX в. быстро возрастала потребность в бумаге: все больше стало печататься книг ("роман покорил читателей"); выходило также большое количество журналов и газет. Сырья в виде остатков шерстяных, хлопчатобумажных, льняных и джутовых тканей или тряпья уже не хватало.
Производство бумаги значительно возросло после работ Вениамина Тильгмана и Александра Мичерлиха. В 1866 г. Тильгман создал способ обработки еловой древесины серной кислотой с последующим превращением полученной смеси в бумагу. Основываясь на этом, Мичерлих в 1876 г. разработал технологию получения сульфитцеллюлозы. Большие количества отработанных растворов ("сточных вод"), образующихся в производстве бумаги, спускались в реки и таким образом сильно загрязняли их.
Стекло
Открытие химиками новых веществ дало возможность наладить в стекольной промышленности производство стекла с требуемыми свойствами, например с определенными твердостью или светопреломлением — богемское закаленное стекло, хрусталь, оптическое стекло или стекло, не содержащее свинца (кронгласе). В конце XIX в. были усовершенствованы также плавильные печи и технологические методы получения стекла. В 1890 г. была создана машина, которая выпускала за сутки 25 000 пивных бутылок. Основанный в 1884 г. Отто Шоттом и Эрнстом Абэ стекольный завод в Йене, производивший стекло с определенными оптическими свойствами, получил всемирную известность[246].
Освещение
В XIX в. были найдены новые источники освещения, например светильный газ, керосин или ацетилен (из карбида кальция). При перегонке бурого угля в качестве побочного продукта получали парафин. Наряду со стеарином он использовался для изготовления свечей. До конца XIX в. свечи и керосиновые лампы оставались основными источниками света, так как газовое освещение было очень слабым. Положение изменилось, когда Ауэр Вельсбах изобрел в 1885 г. "газокалильную сетку", сделавшую газовое освещение ярким. В начале XX в. еще существовало мнение, что резкий свет ацетиленовых фонарей может стать "светом будущего". Однако после изобретения ламп накаливания с осмиевой (1900 г., А. Вельсбах) и с танталовой (1906 г.) нитями постепенно стало преобладать электрическое освещение. Тем не менее одновременно продолжало развиваться и газовое освещение, и даже вплоть до середины XX в. в некоторых странах оно использовалось еще для освещения улиц.
Моющие средства
Для производства моющих средств[247] изучение жиров (эфиров глицерина и жирных кислот) имело такое же большое значение, как и производство соды. Омыление жиров и масел для получения из них жирных кислот и глицерина было усовершенствовано за счет использования в этом процессе перегретого пара. В XX в. широкое применение получил метод отверждения жиров. При этом такие жидкие масла, как ворвань[248] или различные виды растительных масел, могли быть превращены в твердые жиры.
Одновременно с производством моющих средств развивалось производство душистых веществ, которые раньше получали преимущественно из растений. В XIX в. и особенно в XX в. появилась возможность синтезировать душистые вещества в лабораторных условиях, а затем уже и в промышленном масштабе.
В результате разработки метода отверждения жиров был получен новый пищевой продукт — маргарин. В дальнейшем благодаря использованию высококачественных масел (арахисового, соевого и др.) качество маргарина настолько повысилось, что первоначальное мнение о нем как о "пище для бедных" было забыто, и он стал широко использоваться населением.
Сахар
В 1747 г. Андреас Маргграф показал, что в свекловичном соке содержится сахар. В 1800 г. его ученик Франц Ахард разработал способ выделения сахара, что привело к возникновению промышленности по производству свекловичного сахара (1825г.). В 1858г. А.Франк получил патент на разделение и очистку свекловичного сахара [166]. К концу XIX в. из сахарной свеклы получали такое же количество сахара, как и традиционным способом из сахарного тростника. В сельском хозяйстве удалось вывести сорта свеклы с высоким содержанием сахара. Хозяйства целых районов (например, плодородных равнин в окрестностях Магдебурга) специализировались на разведении сахарной свеклы. Монокультуры, нуждавшиеся в большом количестве удобрений, стимулировали развитие промышленности по производству минеральных удобрений. Химики и технологи рационализировали и автоматизировали методы производства сахара из свеклы и сделали эту отрасль промышленности рентабельной, несмотря на сезонный характер поставки ее сырья. Получение дешевого сахара способствовало развитию кондитерской промышленности и увеличению объемов консервирования фруктов.
Процессы брожения
Наконец, следует упомянуть еще процессы брожения, которые были значительно усовершенствованы в результате работ Ю. Либиха, Л. Пастера и др. Начали сооружаться рентабельные крупные хранилища алкогольных напитков, поскольку появилась гарантия сохранности качества пива, вин и т. п. Этому способствовали открытие учеными ферментов и создание Пастером метода стерилизации (названного впоследствии пастеризацией). Пастеризация значительно улучшила сохранность продуктов и привела к развитию консервной промышленности.
В начале XX в. А. Гарден и другие химики исследовали процессы брожения Сахаров. Путем диализа им удалось разделить дрожжевой сок на две части: в одной содержались белки, а в другой их не было. Так стали известны апоферменты (белковая часть ферментов) и коферменты (небелковая часть ферментов), состоящие обычно из производных витаминов. Была установлена особая роль ферментов. Это позволило решить спор между химико-механистическими воззрениями Либиха и биолого-виталистическими взглядами Пастера: брожение стало рассматриваться как биохимический процесс.
Заключение
Поделиться книгой: