Пуговицы Наполеона: Семнадцать молекул, которые изменили мир - [30]

Взрывчатые вещества на войне

Изобретенный Нобелем динамит нельзя было использовать в качестве источника энергии для стрельбы из пушек, поскольку они не выдерживали его мощности. Военные хотели найти другую мощную взрывчатку, которая была бы сильнее пороха, не давала облаков черного дыма, была безопасна в обращении и позволяла быстро заряжать орудия. С начала 80-х годов XIX века в качестве “бездымного пороха” стали применять разные варианты нитроцеллюлозы или смеси нитроцеллюлозы с нитроглицерином (они и сейчас используются в патронах к стрелковому оружию). Артиллерия не предъявляла столь жестких требований к взрывчатке. Во время Первой мировой войны снаряды начиняли в основном пикриновой кислотой и тринитротолуолом. Пикриновая кислота — твердое вещество ярко-желтого цвета — впервые была синтезирована в 1771 году и сначала использовалась в качестве искусственного красителя для шелка и шерсти. Эту молекулу, представляющую собой тринитрофенол, довольно легко получить.

Фенол

Тринитрофенол, или пикриновая кислота

В 1871 году оказалось, что пикриновая кислота взрывается при наличии достаточно мощного детонатора. В снарядах ее первыми начали использовать французы (1885), а потом британцы во время Англо-бурской войны 1899–1902 годов. Однако влажная пикриновая кислота плохо детонирует, поэтому в сырую погоду орудия бездействовали. Кроме того, пикриновая кислота обладает свойствами кислоты и взаимодействует с металлами, образуя чувствительные к ударам пикраты. По этой причине снаряды взрывались при ударе и не пробивали толстые броневые плиты.

Тринитротолуол (ТНТ), похожий по химической структуре на пикриновую кислоту, лучше подходил для изготовления боеприпасов.

Толуол

Тринитротолуол (ТНТ)

Пикриновая кислота

Он не обладает кислотными свойствами, не боится влаги и имеет достаточно низкую температуру плавления, так что его легко расплавить и залить в бомбы и снаряды. Он хуже детонирует, чем пикриновая кислота, поэтому для его воспламенения требуется более сильный удар и, следовательно, он лучше пробивает броню. В молекуле ТНТ соотношение кислорода и углерода ниже, чем в нитроглицерине, поэтому при взрыве углерод не превращается полностью в углекислый газ, а водород полностью не переходит в воду. Уравнение взрыва ТНТ выглядит так:

Выделяющийся в результате реакции углерод образует дым, отличающий взрывы ТНТ от взрывов нитроглицерина и нитроцеллюлозы.

В начале Первой мировой войны Германия, обладавшая вооружением на основе ТНТ, имела очевидное преимущество перед французами и англичанами, которые все еще использовали пикриновую кислоту. Англия предприняла срочные меры для начала производства ТНТ, кроме того, большое количество взрывчатки поступало из Соединенных Штатов, благодаря чему Англия быстро смогла начать выпуск снарядов и бомб такого же качества, как Германия.

Следующее вещество, аммиак (NH₃), сыграло еще более важную роль во время Первой мировой войны. Аммиак не относится к нитросоединениям, однако является исходным материалом для синтеза азотной кислоты (HNO₃), необходимой для производства взрывчатки. Азотная кислота была давно известна ученым. По-видимому, знаменитый арабский алхимик Джабир ибн Хайян (латинизированное имя — Гебер), живший в VIII веке, знал об этом веществе и пытался синтезировать его путем нагревания селитры (нитрата калия) и сульфата железа (II) (тогда это вещество называли зеленым витриолом из-за цвета его кристаллов). В результате этой реакции выделялся газообразный диоксид азота (NO₂), при пропускании которого через воду получался разбавленный раствор азотной кислоты.

Нитраты редко встречаются в природе, поскольку очень легко растворяются в воде и вымываются из всех пород, однако в чрезвычайно засушливых районах на севере Чили были обнаружены большие запасы нитрата натрия (так называемая чилийская селитра). На протяжении двухсот последних лет эта селитра служила источником нитрата для производства азотной кислоты. Нитрат натрия нагревают с серной кислотой. Затем образующуюся азотную кислоту отгоняют, поскольку она имеет более низкую точку кипения, чем серная кислота, конденсируют и собирают в охлажденные емкости.

Во время Первой мировой войны британский ВМФ перекрыл Германии доступ к чилийской селитре. Однако нитраты были стратегическим сырьем, необходимым для производства взрывчатых веществ, и Германия должна была найти выход из положения.

Нитратов в природе немного, хотя составляющие их элементы кислород и азот встречаются в изобилии. Наша атмосфера примерно на 20 % состоит из кислорода и на 80 % — из азота. Кислород (O₂) является химически активным веществом, легко вступающим в реакции со многими другими веществами, а вот азот (N₂) довольно инертен. В начале XX века методы “фиксации” азота (то есть его удаления из воздуха путем химического взаимодействия с другими веществами) стали уже известны, но не были реализованы в промышленном масштабе.

Немецкий химик Фриц Габер изучал реакцию взаимодействия азота из воздуха с газообразным водородом, приводящую к получению аммиака.

Габер смог решить проблему связывания инертного азота из атмосферы. Он подобрал условия реакции, при которых максимальный выход аммиака достигался с минимальными затратами: высокое давление, температура 400–500 °C и выведение образующегося аммиака из реакционной смеси. Большим успехом Габера был выбор катализатора, позволившего повысить скорость этой достаточно медленной реакции. Габер хотел найти способ получения аммиака для производства удобрений. В то время две трети всего мирового объема удобрений производили из чилийской селитры. В связи с исчерпанием этого источника понадобилось найти способ синтетического получения аммиака. В 1913 году в Германии был построен первый в мире завод по производству синтетического аммиака, и когда позднее англичане перекрыли Германии доступ к чилийской селитре, процесс Габера стал применяться на других заводах для получения не только удобрений, но также боеприпасов и взрывчатки. Полученный синтетическим путем аммиак вступает в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота — предшественника азотной кислоты. Для Германии, умевшей производить аммиак для удобрений и боеприпасов, английская блокада не имела значения. Фиксация азота сыграла важнейшую роль в ходе войны.