Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…

Тело человека на 93 % состоит из трех элементов: кислорода, водорода и углерода, – и примерно то же самое можно сказать обо всех остальных живых существах. Кроме того, клеткам нужны десятки других элементов, включая такие необычные, как молибден. Большую часть этих элементов животные и растения добывают из окружающей среды.

Азот представляет собой важное исключение. Это четвертый по количеству элемент в составе человеческого тела: на его долю приходится около 3 % массы тела. Кроме того, это самый распространенный элемент в составе воздуха: четыре из пяти вдыхаемых нами молекул – это молекулы азота. Поэтому, казалось бы, проще простого включить азот в состав наших клеток. Однако это далеко не так. Несмотря на изобилие азота в атмосфере, многие живые существа вынуждены драться даже за крохи этого элемента. Дело в том, что клетки большинства живых существ, включая человека, не усваивают газообразный азот. Сначала его нужно перевести в другую форму. Но на протяжении первых миллиардов лет в истории Земли этим умением могли похвастаться лишь некоторые весьма специфические микробы.

Наконец, в начале XX в. Homo sapiens стал первым организмом немикробного происхождения, научившимся связывать азот. Благодарить за это следует двух человек: оба были немцами, оба работали в химической промышленности. Оба были признаны национальными героями и награждены Нобелевской премией. А потом обоих заклеймили как военных преступников. И хотя многие их ненавидели, эти два человека придумали способ включать элемент под номером 7 из воздуха в наши тела. Историю воздуха невозможно рассказать, не рассказав о химическом таланте Фрица Габера и Карла Боша.

Химик Фриц Габер – одна из самых противоречивых фигур в истории науки

Эта история начиналась трудно. Фриц Габер родился в Германии в 1868 г. в еврейской семье из среднего класса. Несмотря на очевидный талант ученого, в молодости он работал в промышленности, причем занимался самыми разными вещами – от производства красителей и спирта до получения целлюлозы и патоки – и нигде особенно не выделялся. В 1905 г. одна австрийская компания попросила Габера (на тот момент уже лысеющего джентльмена с усиками и в пенсне) найти способ производства аммиака (NH₃).

Задача казалась очевидной. В воздухе содержится много газообразного азота (N₂), а водород (H₂) можно получить за счет расщепления молекулы воды под действием электричества. Таким образом, для получения аммиака, казалось бы, нужно просто смешать и нагреть два газа: N₂ + 3H₂ -> 2NH₃. Voil`a. Но оказалось, что это дело по сложности не уступает клубку задач из «Уловки-22». Для расщепления молекулы азота на атомы требуется затратить невероятно большое количество тепла, но от нагревания расщепляется продукт реакции – неустойчивая молекула аммиака. Габер несколько месяцев ходил кругами, пока наконец не написал в отчете, что получение аммиака из азота и водорода – бессмысленный процесс.[13]

Отчет сгинул в небытие – отрицательные результаты не вознаграждаются, – возможно, не без участия известного химика Вальтера Нернста. У Нернста уже было все, чего добивался Габер. Он работал в Берлине – центре всей жизни Германии – и заработал состояние на изобретении электрической лампочки нового типа. Но главное, Нернст приобрел известность в научных кругах, открыв новый закон природы – третье начало термодинамики. Работы Нернста в области термодинамики позволили химикам сделать нечто ранее совершенно невозможное – исследовать любую реакцию (например, превращение азота в аммиак) и оценить выход при разных значениях температуры и давления. Это было значительным шагом вперед, поскольку позволяло действовать не вслепую, а предсказывать оптимальные условия для протекания реакции.

Теперь химикам нужно было подтвердить эти предсказания в лабораторных условиях, и тут-то и возник конфликт. Когда Нернст изучил отчет Габера, он обнаружил, что выход аммиака в исследованной реакции был слишком высоким – на 50 % выше предсказанной им величины.

От этого заявления Габеру стало плохо. Он вообще был легковозбудимым человеком, у него было слабое сердце и случались нервные срывы. А теперь Нернст мог разрушить то единственное, что ему удалось заработать в жизни, – репутацию хорошего экспериментатора. Габер тщательно переделал эксперименты и опубликовал новые данные, которые несколько лучше согласовывались с предсказаниями Нернста. Но цифры все равно оставались высокими, и на конференции в мае 1907 г. Нернст перед всеми отчитал своего более молодого коллегу.