Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…

Газы активнее вступают в реакцию при повышении температуры или при повышении давления. На молекулярном уровне повышение температуры газа заставляет его молекулы двигаться с более высокой скоростью (на самом деле температура как раз и отражает скорость движения молекул). Чем выше скорость движения, тем легче молекулы расщепляются и воссоединяются, что способствует протеканию химических реакций.

Однако Габер знал, что повышение температуры приводит к разрушению аммиака, так что конечный выход продукта не увеличивается. Поэтому он сосредоточился на изменении давления. При повышении давления молекулы сближаются, и, следовательно, у них больше возможностей для взаимодействия и обмена атомами.

Для этого он изготовил кварцевые пробирки высотой 8 см, укрепленные железным каркасом. В таких пробирках за счет повышения давления реакцию можно было провести при температуре на несколько сотен градусов ниже и при этом повысить выход аммиака.

Некоторые химики уже пытались повышать давление в смеси азота и водорода. Например, кто-то использовал для этой цели велосипедный насос. Но Габер предлагал нечто гораздо более серьезное – создать давление в сотни раз выше атмосферного, способное раздавить современную подводную лодку.

Кроме игр с температурой и давлением, Габер занялся еще и подбором катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Пример – платина в катализаторе автомобиля, где расщепляются вредные вещества. Габер знал, что два металла – марганец и никель – ускоряют взаимодействие между азотом и водородом, но, к сожалению, они работают только при температуре выше 700 ^oC, а при такой температуре начинается обратная реакция. Поэтому он занялся поиском других катализаторов, пропуская газы над десятками металлов. В конце концов он попробовал осмий, элемент под номером 76, который когда-то использовали для изготовления электрических лампочек. В присутствии осмия реакция шла при температуре «всего лишь» 500–600 ^oC, а при такой температуре аммиак расщепляется не так быстро.

При помощи уравнения своего врага Нернста Габер рассчитал, что использование осмия в защищенных металлическим каркасом емкостях позволит довести выход аммиака до 8 %, что было приемлемым результатом. Но, до того как продемонстрировать свою победу над Нернстом, он должен был проверить этот результат в лаборатории. И в июле 1909 г. – после нескольких лет мучений от болей в животе, бессонницы и унижений – Габер собрал на столе последовательную цепочку из нескольких кварцевых емкостей. Затем он открыл клапаны высокого давления, позволив азоту и водороду смешаться, и с волнением стал следить за выходным отверстием на противоположном конце установки.

Прошло некоторое время: даже в присутствии осмия связи между атомами в молекуле азота разрывались неохотно. Но в конце концов из форсунки начали вытекать молочно-белые капельки аммиака. От восторга Габер выскочил в коридор с криками: «Посмотрите! Идите посмотрите!» К концу эксперимента у него набралась аж четверть чайной ложки аммиака. А потом забил настоящий фонтан – по чашке аммиака каждые два часа.

Даже при таком скромном выходе BASF решила купить эту технологию и реализовать ее. Как это часто бывало при успешном завершении работы, Габер устроил грандиозную вечеринку. «Когда она закончилась, – вспоминал один из участников, – мы могли идти домой только по прямой, вдоль трамвайных рельсов».

Открытие Габера стало поворотной точкой в истории – столь же важной, как строительство первого ирригационного канала или отливка первого железного орудия. Как было сказано впоследствии, идея получения аммиака путем фиксации атмосферного азота позволила Габеру превратил воздух в хлеб.

Однако пока его успех был только теоретическим: он доказал, что из газообразного азота можно получить аммиак (и, следовательно, удобрения), но выход аммиака в его аппарате был таким, что его едва хватило бы для подкормки помидоров на одном огороде, что уж говорить об удовлетворении нужд всего немецкого народа. Масштабирование процесса Габера для производства тонн аммиака требовало иного гения – способного превратить интересную идею в реальный процесс. Большинство руководителей компании BASF не были гениями. В аммиаке они видели лишь еще одно вещество из списка, еще один возможный источник дохода. Однако руководитель нового отдела, занимавшегося производством аммиака, тридцатипятилетний инженер Карл Бош смотрел на вещи шире. Он считал аммиак важнейшим (в том числе с финансовой точки зрения) соединением нового столетия, способным в корне изменить мировое производство продуктов питания. Как и большинство важных идей, эта идея одновременно была и вдохновляющей, и опасной.