8
ЭНЕРГИЯ ИННОВАЦИЙ В ДВИЖЕНИИ
ИСТОРИЯ ВОПРОСА
КОНЕЦ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ
НОВЕЙШАЯ ИСТОРИЯ
Все начиналось с алхимиков Эпоха производств Людмила Смеркович Нелюбимый многими школьниками предмет, одна из классических наук и одновременно основа огромного числа технологий и производств – все это химия. Не умаляя значение химического знания для мировой культуры, сейчас, в канун Дня химика, отмечаемого в этом году 30 мая, мы поговорим об истории химии не как науки, а как отрасли инженерии.
С
химическими процессами человечество столкнулось на заре существования и начало ставить их себе на службу с тех пор, как люди научились пользоваться огнем. И хотя приготовление пищи, выплавка металлов и стекла, использование различных веществ в качестве лекарств и ядов применялись целые тысячелетия, до инженерного применения химии нужно было пройти еще очень длинный путь. В отличие от науки, занимающейся производством знаний, инженерная дисциплина призвана решать конкретные задачи, возникшие на практике. Первой серьезной попыткой работать с веществами инженерным образом стала европейская средневековая алхимия, ставившая своей задачей получение «философского камня», или магистериума. Считалось, что при помощи этого мифического соединения станет возможным процесс трансмутации, то
есть превращение неблагородных металлов в золото, а человека – в бессмертное существо. Эта грандиозная задача так и не была решена, но породила массу «побочных» открытий – получение сильных кислот и щелочей, неизвестных ранее солей и металлов, исследование лекарственных свойств различных соединений. Одновременно сформировался инструментарий химической лаборатории – колбы, реторты, тигли, перегонный куб, делительные воронки и другие химические приспособления, используемые и в настоящее время. Конец эпохи алхимии положил Парацельс (1493–1541), провозгласивший в своих трудах, что истинной задачей химии является не поиск химеры трансмутации, а получение веществ, действительно полезных для человека, – в первую очередь лекарств. Его современник Георг Бауэр (1494–1555), подписывавший свои книги именем Агрикола, исследовал свойства и способы добычи и переработки минералов и в своем труде «Металлургия» положил начало химической технологии. Развивающиеся наука о минералах и медицина оказались настолько заманчивыми и доходными, что больше не было никакого смысла терять время на безуспешные попытки получить золото из ртути. Следующий период развития химии связан с исследованием и разработкой количественных отношений. Разумеется, продолжалось
Е
Такой химия была несколько веков назад
получение новых веществ, описание их свойств и условий проведения реакций, но фронтир сместился в сторону измерений и установления числовых закономерностей. Пионером этого подхода можно считать фламандского врача Яна Баптиста Ван Гельмонта (1579–1644). Ван Гельмонт выращивал дерево в заранее отмеренном количестве почвы, куда систематически добавлял воду и систематически тщательно взвешивал дерево. Он же первым обратил внимание на то, что в процессе некоторых реакций образуются пары, похожие на воздух, но отличающиеся от него по свойствам. Он назвал новый класс веществ «хаосом», но, согласно фламандскому фонетическому строю, это слово произносится как «газ».
НОВОЕ ВРЕМЯ
Великие умы: расцвет теории
П
ри изучении газов как формы материи впервые была использована техника точных измерений, т. е. количественного исследования явлений, которая и послужила столбовой дорогой в мир современной химии. Ирландский химик Роббер Бойль (1627–1691) предпринял попытку сжать воздух и обнаружил, что объем заданной массы воздуха обратно пропорционален давлению. Одновременно с ним аналогичный вывод сделал французский физик Эдм Мариотт (1630–1684). Закон Бойля – Мариотта явился первой попыткой применить точное измерение при выяснении причин изменения веществ. В дальнейшем этот подход находил все новых последователей, и к концу XVIII века уже был накоплен большой экспериментальный опыт в области химии, но все еще отсутствовала единая теория. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743–1794). Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции, и все образующиеся продукты, то не произойдет изменения массы. Другими словами, Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Это положение, известное как закон сохранения массы и примерно в то же время сформулированное русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711–1765), стало краеугольным камнем химии.
Надо отметить, что Лавуазье, будучи непревзойденным теоретиком своего времени, был великолепным экспериментатором и постоянно брался не только за научные, но и за чисто инженерные задачи. Его проект, посвященный системе освещения Парижа, был удостоен золотой медали Академии и впоследствии реализован. Позднее, возглавляя пороховое дело Франции, он за десять с небольшим лет добился удвоения годового объема производства пороха. Кроме того, Лавуазье сумел достичь резкого увеличения качества продукции, разработав новые способы очистки сырья и инициировав премию за лучшую работу, касающуюся способа наиболее выгодного производства селитры. Во время его управления пороховым делом взрывы на заводах, бывшие до этого частым явлением, стали случаться гораздо реже, что свидетельствует о внедрении на производстве техники безопасности. Дальнейшая история химии очень богата инженерными разработками, сделанными известными учеными-химиками. Ограничимся наиболее яркими примерами. Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907), первооткрыватель одного из фундаментальных законов природы – периодического закона химических элементов, автор исследований по электролитической диссоциации, химии газов, растворов, силикатов и многим другим научным темам, занимался и чисто инженерными вопросами, в частности воздухоплаванием и кораблестроением. С его именем тоже связана «порохо-
вая» история, но иная, нежели в случае Лавуазье. В 1890 году в России остро встал вопрос о производстве бездымного пороха, уже широко используемого в Европе. Технология его изготовления была строго засекречена, поэтому ее необходимо было воспроизвести с нуля. Дмитрий Иванович взялся собрать команду специалистов по взрывчатым веществам и решить эту задачу. Можно было бы ожидать, что ученый с мировым именем предпримет исследование взрывчатых веществ, отыщет новый рецепт путем кропотливой научной работы – ан нет! Менделеев решал конкретную инженерную задачу за ограниченные сроки и пути для этого решения выбирал предельно практичные. Первым шагом на пути создания нового производства была зарубежная поездка, в которой ученый встречался со знакомыми учеными и, говоря языком современным, вовсю занимался промышленным шпионажем. Из поездки он привез несколько образцов, предоставленных ему «по дружбе», поэтому состав и свойства нового пороха были установлены очень быстро. Следующий шаг – разработка технологии – был гораздо сложнее, но и он был преодолен, поскольку Менделеев придавал экономическим вопросам большое значение и строил новое производство с учетом местной специфики и расположения необходимых заводов и источников сырья. В результате к 1893 году было налажено производство пороха, превосходящего характеристиками иностранные аналоги.
ще одна история решения насущной задачи инженернохимическим путем происходила в Германии в начале ХХ века. Решался вопрос о производственном синтезе аммиака как основы для получения азотных удобрений (ну и, разумеется, взрывчатых веществ). Связывание атмосферного азота (а именно из него и водорода состоит аммиак) в лабораторных условиях давно было реализовано, а вот для промышленного производства существовало слишком много проблем, главная из которых – низкий выход продукта, не позволявший сделать процесс рентабельным. В научных кругах Европы множество исследователей искали способы повысить выход реакции за счет катализаторов, а также смягчить условия ее проведения, поскольку необходимых конструкций аппаратов, способных выдержать нагрузку высокого давления, температуры и агрессивной химической среды, на тот момент просто не было. В конечном итоге оптимальный выход из этого сложного клубка проблем нашел химик Фриц Габер, исследователь и технолог. Существует исторический анекдот, гласящий, что в одной из научных дискуссий Габер схлестнулся с сильным противником, который отстаивал неожиданную идею синтеза аммиака, а Габер его критиковал и доказывал, что данная схема нереализуема. В конечном итоге они оба убедили друг друга – химик, имя которого не сохранилось, решил, что Габер прав, и занялся какой-то другой проблемой, а Габер, поразмыслив, понял, что зря он нападал на коллегу, и решил проверить его выкладки на практике. Германия стала первой страной, в которой был внедрен метод промышленного синтеза аммиака. С именем Габера связано решение еще одной сложной задачи, поставленной правительством. Это разработка первого в мире химического оружия, заставляющего противника покидать траншеи. Сам Габер считал его гуманным средством прекращения изматывающей траншейной войны на Западном фронте. Однако многие его коллеги считали иначе и осуждали его, а жена Габера, тоже химик, после очередной ссоры с мужем по поводу химического оружия покончила с собой. Как это ни печально, военные заказы во все времена являлись самым действенным стимулом научно-технического прогресса, в том числе и химических разработок,
но случалось и так, что открытия, совершенные для ведения войны, оказывали потом огромное влияние на совершенно мирные отрасли. Примером подобной инженерной работы является создание синтетического каучука. Исследованиями в области получения синтетического каучука на границе XIX–XX вв. занимались многие научные лаборатории мира. Этому способствовал не только бурный рост потребления натурального каучука, но и географические факторы. Страны, удаленные от так называемого пояса каучука – экваториальной зоны, попадали в зависимость от импорта. Основателем первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука по праву считается русский ученый Сергей Васильевич Лебедев (1874–1934), посвятивший проблеме полимеризации диенов значительную часть своей научной деятельности. Настоящей его находкой был одностадийный способ получения бутадиена (исходного вещества для получения бутадиенового каучука) из этилового спирта. В условиях аграрного в то время Советского Союза использование в качестве исходного продукта этанола, получаемого из растительного сырья, значительно удешевляло производство. Благодаря работам Лебедева промышленное широкомасштабное производство синтетического каучука начато в Советском Союзе в 1932-м – впервые в мире (следующей была Германия, которая начала производить синтетический каучук только в 1936 г.). Значение этого события трудно переоценить: возможность оснастить отечественную технику шинами и шасси собственного производства сыграла важную роль в победе над фашистской Германией. А изделия из синтетических каучуков нашли применение не только в авиационной и автомобильной промышленности, но и во многих других – от детских игрушек до средств контрацепции. Современная химия уже вышла на рубеж работы с веществами в инженерном залоге – в последние десятилетия создание веществ с заданными свойствами и их промышленный выпуск являются не проблемой, а сложной, требующей образования, чутья и таланта, но все-таки задачей, имеющей решение. Разумеется, не все задачи еще решены – например, не синтезировано лекарство от рака, гарантирующее полное выздоровление. Но как знать, что будет через несколько лет?
Такой химия стала сегодня: одно из производств химического гиганта BASF