Пол Оффит - Ящик Пандоры. Семь историй о том, как наука может приносить нам вред

Уильям Крукс бросил вызов науке. Азотфиксация в лабораторных условиях с целью получения синтетического удобрения стала своего рода «святым Граалем» химии. Но найти его было не так легко.

Ни одной стране не было настолько важно решить задачу с искусственным удобрением, как Германии. В самом начале XX века ее население достигло 58 миллионов, причем большинство жили в густонаселенных городах. Немецкие фермеры делали для почвы все что могли, тщательно перерабатывая растительный перегной и навоз, но этих мер было недостаточно. Необходимо было найти другой источник натуральных удобрений, без него страна не смогла бы выжить. Для этого Германия отправила своих моряков за океан.

Южноамериканская пустыня Атакама богата натуральным азотом в виде нитратов. (Нитраты, или соли азотной кислоты, молекулы которых состоят из одного атома азота и трех атомов кислорода, — прекрасные источники природного азота.) В Чили нитраты были, и к 1900 году там добывалось две трети всех использовавшихся на планете натуральных удобрений. Одна треть расходовалась в Германии. Эта страна настолько нуждалась в удобрениях, что на рубеже веков импортировала 350 000 тонн нитратов. К 1912 году этот объем возрос до 900 000 тонн. Зависимость Германии от чилийских источников азота делала ее уязвимой во время войны, а Первая мировая была не за горами. Иностранный флот мог перекрыть путь в Чили, и немецкому населению пришлось бы голодать.

Между тем карьера Габера в университете Карлсруэразвивалась блестяще.

В 1896-м, через два года после поступления, Фриц написал книгу о физической химии. С нее началась его основная работа, и именно благодаря этому изданию он стал доцентом кафедры. В 1898-м, как раз когда Уильям Крукс произнес известную речь, Габер опубликовал вторую книгу, объединяющую теоретическую и практическую химию (это издание послужило толчком к дальнейшему продвижению по службе). В 1905 году у него вышла третья книга — о термодинамике, благодаря которой автор взлетел до поста руководителя. На тот момент ему было 37 лет.

Третью опубликованную работу Габер посвятил своей жене Кларе. Он познакомился с ней еще студентом в Бреслау, женился за четыре года до выхода книги, и у них родился сын Герман. Клара была исключительным человеком: рожденная в семье химиков, она стала единственной дамой, получившей докторскую степень по химии в университете Бреслау, а также одной из первых женщин в Германии с докторской степенью. Но, попав в жернова характерной для того времени гендерной дискриминации, из молодого яркого ученого Клара превратилась в унылую домохозяйку, вынужденную молча наблюдать, как муж в поисках славы игнорирует семью. Этот брак ее не устраивал. «Фриц настолько рассеян, — как-то сказала она, — что если бы я время от времени не приносила ему сына, то он даже бы не знал, что является отцом».

При этом самому Габеру работа в университете Карлсруэ сулила массу возможностей. У этого образовательного учреждения были прекрасные отношения с крупным химическим концерном Badische Anilin & Soda-Fabrik (BASF), расположенным рядом, чуть ниже по течению Рейна. Если бы Фриц хотел найти практическое применение своей работе, лучшим решением было бы сотрудничать с BASF. И что еще важнее, Германия на тот момент была самым подходящим местом для исследований по химии и физике. Во время правления Вильгельма II немецкие профессора сформулировали самые блестящие теории, ученые сделали наиболее выдающиеся открытия и лучше всего развивалась промышленность. В результате немцы получили больше Нобелевских премий, чем их конкуренты из других стран. Когда к власти пришел Адольф Гитлер, все пошло прахом. Но в то время, когда Фриц Габер поступил в университет Карлсруэ, Германия была лучшим местом для тех, кто искал «святого Грааля» в химии.

Немцы уже объездили полмирав поисках азота, что, в общем, не имело никакого смысла: воздух на 79 % состоит из азота. Более того, над каждым квадратным метром поверхности Земли ежедневно циркулирует семь тонн этого вещества. Проблема другая: в природе азот не существует в атомарном виде (N). В молекуле азота два атома (N 2) соединены тройной связью, которую, по сути, нельзя разрушить; этот элемент считается самым стойким соединением. И хотя молекулярным азотом (N 2), содержащимся в воздухе, можно надуть миллион воздушных шаров, того же количества не хватит, чтобы вырастить даже один початок кукурузы.

В книгах по химии элемент N 2описан как не обладающий запахом, бесцветный, негорючий, невзрывчатый, нетоксичный и химически неактивный, то есть инертный. Его главная характеристика, ключевое слово для описания, — неспособность к взаимодействию, безжизненность. Если азот используется в каких-то биологических процессах (например, для формирования аминокислот, белков, ферментов, ДНК и РНК), то он должен быть разбит на два отдельных атома. И только в атомарном состоянии (N) в соединении с водородом может образовать молекулу аммиака (NH 3) или же в связи с кислородом сформировать нитраты (NO 3). И аммиак, и нитраты можно использовать в качестве удобрения для насыщения почвы азотом и получения хорошего урожая.

Поскольку в естественных условиях молекула азота сама не разбивается на атомы, для этого требуется создать условия неестественные, выполнить действия, которые в определенном смысле противоречат природе. К 1909 году, когда Фриц Габер впервые предложил экономически целесообразный способ разбиения молекулы азота на атомы, на эту тему было опубликовано уже более 3000 статей, но ни одна не давала ответа на вопрос. Запасы азота на планете постепенно истощались. Время близилось к исходу.

Формула образования аммиака проста:

N 2+ 3H 2<=> 2NH 3

Если читать ее слева направо, то два атома азота, собранные в молекулу, соединяются с тремя молекулами водорода (каждая из которых, в свою очередь, состоит из двух атомов), в результате образуются две молекулы аммиака. Габер знал, что аммиак будет превосходным синтетическим удобрением.

Чтобы химический процесс действительно протекал так, как написано в формуле, то есть чтобы спровоцировать его к переходу от левой части уравнения к правой, Габер использовал очень высокие температуру и давление. В 1904 году он обнаружил, что лишь 0,005 % всего вступившего в реакцию азота образовали аммиак (то есть перешли из левой части уравнения в правую). И это количество было значительно меньше тех, что могли бы иметь хоть какой-то практический смысл. Габер попробовал разные катализаторы, чтобы ускорить реакцию и повысить урожаи, — металлы, например никель или марганец. С их помощью он пытался создать условия, в которых атомы азота и водорода с большей готовностью вступали бы в реакцию. Но ничего не работало. Габер пришел к выводу, что нет никакого практического смысла пытаться получить аммиак из азота, содержащегося в воздухе, и оставил эту идею. Тем не менее результаты своих исследований опубликовал в ведущем химическом журнале.