Азот из воздуха накормил половину человечества. И продлил мировую войну

Каждый ваш вдох почти на четыре пятых состоит из азота — элемента, без которого не собрать ни одного белка. Тысячи лет люди голодали на дне этого невидимого океана, потому что растения не могут взять азот прямо из воздуха. В 1909 году в немецком Карлсруэ химик заставил воздух превратиться в сырьё для удобрения, и сегодня примерно половина людей на Земле живы благодаря этой реакции. Но тот же человек и та же химия подарили миру ещё кое-что, о чём вспоминают куда реже.

Человечество голодало посреди океана азота

Молекула азота — два атома, сцепленных тройной связью, одной из самых прочных в химии. Разорвать её умеют молния и горстка бактерий, в том числе живущих на корнях гороха и клевера. Поэтому крестьяне веками возили на поля навоз и чередовали злаки с бобовыми, ещё не зная, что подкармливают хлеб работой микробов.

В XIX веке нашлись запасы: птичий помёт с перуанских островов и селитра из чилийской пустыни Атакама. За эти земли Чили воевала с Перу и Боливией. В 1898 году британский учёный Уильям Крукс предупредил коллег в Бристоле: если химия не научится связывать азот воздуха, странам, живущим на пшенице, грозит голод. Решение требовало обмануть реакцию, которая упорно шла назад.

Габер заставил реакцию работать против самой себя

В основе открытия лежит мысль о химическом равновесии, которым можно управлять. На бумаге всё просто: одна молекула азота и три водорода дают две молекулы аммиака. Но реакция обратима: аммиак тут же распадается, а нагрев, без которого процесс почти не идёт, этот распад только усиливает.

Выручил принцип Ле Шателье: сжатая система сдвигается туда, где занимает меньше места. Из четырёх молекул газа получаются две, поэтому давление толкает реакцию к аммиаку. Представьте битком набитый вагон: чем сильнее напирает толпа, тем охотнее пассажиры снимают рюкзаки и берут детей на руки.

Фриц Габер и его ассистент Роберт Ле Россиньоль взяли катализатор осмий, подняли давление примерно до 200 атмосфер и стали возвращать непрореагировавший газ обратно в круг. В июле 1909 года перед представителями компании BASF настольный аппарат выдал жидкий аммиак. Оставалось повторить это в размере завода, и тут начала сдаваться сама сталь.

Половина азота в вашем теле прошла через завод

Задача досталась инженеру BASF Карлу Бошу. Его реакторы лопались: горячий водород под давлением проникал в сталь, вытягивал из неё углерод и делал её хрупкой. Бош вставил внутрь трубу из мягкого железа, а в наружной оболочке просверлил отверстия, через которые водород уходил. Альвин Миташ тем временем перебрал тысячи составов и заменил редкий осмий дешёвым катализатором на основе железа.

В 1913 году в Оппау заработал первый завод. За следующее столетие население Земли выросло примерно с 1,6 миллиарда до 8 миллиардов. А теперь самое странное: примерно половина атомов азота в ваших мышцах, ферментах и ДНК когда-то прошла через такой реактор, а затем через удобрение и зерно попала на вашу тарелку. Вот только тот же аммиак годился не только для хлеба.

Та же химия продлила мировую войну

Из аммиака получают азотную кислоту, а из неё — взрывчатку. Когда британская блокада отрезала Германию от чилийской селитры, заводы Боша начали работать на фронт. Многие историки считают, что без них немецкая армия гораздо раньше столкнулась бы с нехваткой боеприпасов.

Габер пошёл дальше: 22 апреля 1915 года под Ипром он руководил первой массированной газовой атакой хлором. Вскоре его жена Клара Иммервар, одна из первых женщин-докторов химии в Германии, застрелилась. Нобелевскую премию за 1918 год он получил под протесты коллег, а в 1933-м, спасаясь от нацистской политики, покинул страну и вскоре умер в Базеле. Работы его института по пестицидам привели к «Циклону», поздний вариант которого нацисты применили в газовых камерах. Счёт за изобретение Габера человечество оплачивает и сегодня.

Читайте также: Земля стирает своё прошлое. Но светлое пятно на Мадагаскаре уцелело

За хлеб мы платим газом и реками

Синтез аммиака потребляет порядка 1–2% мировой энергии, а водород для него чаще всего получают из природного газа. Значительная часть азота с полей не достаётся растениям: он стекает в реки, создаёт мёртвые зоны вроде той, что в Мексиканском заливе, и улетает в виде закиси азота, мощного парникового газа. При этом аммиак давно нужен не только полям: он работает в промышленных холодильниках, идёт на нейлон, лекарства и мочевину для очистки дизельных выхлопов.

Инженеры строят установки на водороде из воды и чистого электричества, а машинное обучение помогает искать катализаторы — ту работу, которую Миташ вёл вручную. Образец пока недостижим: бактерии на корнях гороха рвут тройную связь без сильного нагрева и огромного давления. Одна оговорка: «половина человечества» — это расчётная оценка, а не перепись, и точная цифра зависит от метода подсчёта.

Сделайте вдох. Азот, наполнивший лёгкие, почти весь выйдет обратно, так и не став частью вас. А тот, что уже стал вами, во многом когда-то прошёл сквозь стальную трубу с дырками, придуманную инженером больше века назад.

Другие истории о мыслях, которые перестроили мир, ждут в наших статьях.

Ещё в «Высоких технологиях»

Сто градусов — договор с воздухом: без него вода кипит и при 25 °CИИ не угадал сорт печенья. Причину Шеннон описал ещё в 1948 году15 секунд сна помогают найти решение. Но проснуться надо вовремя

Все материалы раздела →