Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

При синтезе аммиака из двух молекул (азота и водорода) образуется одна. Согласно. законам химической кинетики, повышение давления способствует смещению равновесия к конечному продукту. И действительно, при температуре 500°С и давлении 200 атм Габеру удалось получить аммиак путем непосредственного соединения атмосферного азота с водородом. Вскоре после этого открытия была разработана соответствующая технология и начался промышленный синтез аммиака, что привело к значительному снижению цен на азотные удобрения.

К сожалению, нитраты имеют и другое применение: они используются при производстве взрывчатых веществ. Несмотря на это, Нобелевский комитет по химии счел, что мирное применение результатов Габера заслуживает достойной оценки, и в 1918 г. ему была присуждена Нобелевская премия по химии.

Массовое производство аммиака началось в канун, первой мировой войны. Его основы были заложены исследованиями двух названных здесь ученых, однако! практическая реализация их идей была осуществлена Карлом Бошем, химиком-технологом предприятия «Бадише анилин унд сода фабрик». Его работа — пример сочетания науки и инженерной практики.

Приступив к практической реализации метода Габера, Бош прежде всего решил вопрос о получении в достаточных количествах и по низкой цене исходного сырья (азота и водорода) и только после этого двинулся дальше. В своих опытах Габер использовал в качестве катализатора осмий, редкий и дорогой металл. После упорных исследований Бош открыл катализаторы, состоящие из окиси, железа и алюминия, дешевых и широкодоступных веществ. Решив эту проблему, Бош занялся наконец вопросами конструирования и изготовления промышленной установки.

При высокой температуре водород становится химически настолько активным, что вступает во взаимодействие со сталью. В сочетании с высоким давлением это неизбежно приводило к быстрому разрушению аппаратуры.

Первые установки работали не более нескольких часов и монтировались вдали от мест, где находились люди. После многочисленных экспериментов Бош пришел к оригинальной идее. Он создал установку, состоящую из двух камер: внешней, из обычной стали, где процесс происходил при высоком давлении и относительно низкой температуре, и внутренней, которая испытывала воздействие только очень высокой температуры; легированный сплав, из которого она была сделана, сохранялся длительное время. Таким образом, был создан высокоэффективный конвертор для непрерывного синтеза аммиака.

Разрабатывая метод. получения чистого водорода из так называемого водяного газа (смеси окиси углерода и воды), Бош столкнулся с проблемой очистки водорода от окиси углерода. В ходе исследований он обнаружил, что при высоких температуре и давлении эти вещества соединяются, образуя метиловый спирт. Так возникла технология получения одного из основных видов сырья для современной органической химии. Метиловый спирт (метанол) сегодня рассматривается как один из самых перспективных видов топлива.

Проблемой топлива в начале нашего столетия занимался известный химик Фридрих Бергиус. Он начал свои эксперименты приблизительно в то время, когда Габер обрел известность, предложив метод синтеза аммиака при высоком давлении. В своих исследованиях Бергиус использовал подобные же методы. Он интересовался процессами образования угля, происходящими в недрах Земли при огромном давлении и высоких температурах. В своей частной лаборатории в Ганновере Бергиус пытался за короткий промежуток времени осуществить то, для чего природе понадобились миллионы лет.

Пытаясь превратить целлюлозу в уголь, Бергиус получил продукты, поглощающие водород. Это навело его на мысль попробовать соединить водороде обычным углем и получить таким образом нефть. Цель была заманчивая. Вопрос о запасах нефти остро встал в первые десятилетия нашего века, когда начал бурно развиваться автомобильный транспорт. Промышленность пока еще довольствовалась углем, но автомобили требовали жидкого топлива. Оценки запасов нефти выглядели крайне пессимистично: считалось, что нефти хватит, самое большее, до 1950 г. Это и побудило Бергиуса заняться решением задачи спасения человечества от энергетического голода.

Способы производства водорода из угля были известны. Используя полученный таким образом водород, Бергиус при высоких температуре и давлении добился превращения низкокачественных углей в жидкое топливо. Полная отработка технологии была закончена к 1927 г. Возможности маленькой лаборатории Бергиуса давно были исчерпаны, и ему пришлось обратиться за помощью к крупным фирмам.

Технические достижения Карла Боша и Фридриха Бергиуса в области синтеза при высоком давлении явились крупным шагом в развитии химической индустрии. Промышленное производство азотных удобрений получило сегодня широкое распространение, а сокращение запасов нефти остро ставит вопрос о получении искусственных видов топлива. В 1931 г. Нобелевский комитет по химии, оценив вклад названных исследователей, принял решение присудить им Нобелевскую премию.

Полимеры

В начале 20-х годов немецкий химик Герман Штаудингер выдвинул теорию, согласно которой некоторые небольшие молекулы могут объединяться в цепи, содержащие десятки тысяч атомов. Штаудингер считал, что такие макромолекулы содержатся в некоторых коллоидных растворах. Эти идеи были встречены большинством химиков в штыки и целое десятилетие оставались предметом бурных дискуссий, ибо противоречили образу мышления и духу того времени. Ученые не хотели верить, что посредством обычной химической связи может удерживаться вместе огромное число атомов. Подобная позиция кажется странной, если учесть, что исследователи того времени уже давно имели дело с макромолекулами и полимерами.

С одной стороны, нередко случалось, что при химических реакциях вместо ожидаемого соединения получались резиноподобные или смолистые вещества. С другой стороны, биохимики выделяли вещества, образующие коллоидные растворы. Эти результаты объясняли наличием какого-то неизвестного физического взаимодействия между молекулами. Химики просто-напросто никак не могли допустить возможности образования полимеров.

Но пока теоретики вели ожесточенные споры, практика давала все новые удивительные результаты. После того как удалось добиться модификации таких природных полимеров, как целлюлоза, каучук и другие, началось синтезирование полностью искусственных веществ, которые не встречаются в природе. Среди пионеров в этой области прежде всего, следует назвать Адольфа Байера и Лео Хендрика Бакеланда, открывших бакелит. В 1931 г. Уоллес Хьюм Карозерс синтезировал первые полиамидные смолы. Одна из них под названием «нейлон» получила широкую известность. Успехи синтетической химии склонили весы в пользу взглядов Штаудингера. В 30-е годы его теория приобретала все больше сторонников. Появились такие понятия, как высокомолекулярные соединения, полимеры, пластмассы и т. д. Разрабатывались методы исследования строения макромолекул и изыскивались пути их получения. Достигнутые результаты широко внедрялись в практику — производство новых видов пластмасс развивалось бурными темпами.

Штаудингер как исследователь-теоретик остался в стороне от этого развития. Макромолекулы и полимеры занимали его только как интересное с научной точки зрения состояние вещества. Тем не менее именно его работы положили начало развитию этого нового раздела химии. Поэтому — хотя и с известным опозданием — его работы привлекли внимание академиков из Стокгольма. В 1953 г., когда уже все восторженно говорили о наступлении эры пластмасс, Штаудингер был удостоен Нобелевской премии по химии.

Вообще говоря, число веществ, способных к самопроизвольной полимеризации, весьма незначительно. Обычно для начала реакции необходимы специальные условия и катализаторы. Например для соединения молекул этилена в цепь необходимо давление 1200—3000 атм и температура около 200°С Технология производства пластмасс претерпела коренные изменения после открытия химика-органика (ФРГ) Карла Циглера, директора Института им. Макса Планка по исследованию угля в Мюльхейме (Рурская область).

Располагая в своем институте большим количеством этилена, Циглер занялся исследованиями каталитического воздействия различных веществ на его полимеризацию.

В начале 50-х годов после длительных экспериментов он достиг желанного успеха. Была создана технология, которая позволяла полимеризовать этилен при низком давлении с помощью смешанного титан-алюминиевого катализатора (катализатора Циглера). Об открытии Циглера было официально объявлено в 1953 г., и он получил патенты в ряде стран. Полиэтилен, синтезированный при низком давлении по технологии Циглера, имел отличные качества благодаря хорошей линейной упорядоченности полимерных цепей, полученных с применением катализатора.