Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Мы, однако, остановимся подробнее на самом методе, поскольку он демонстрирует некоторые важные принципы химии и объясняет следующие несопоставимые на первый взгляд факты: почему в Исландии есть алюминиевые заводы, но нет бокситовых шахт и почему самолет B17 Flying Fortress угодил в болото в Западной Швеции 24 июля 1943 года.

В процессе Холла – Эру применяется электролиз. Помните, как в главе 2 нам потребовался по-настоящему хороший восстановительный агент, чтобы сделать металлический уран из ионов урана 4+? Так вот, сделать алюминий из Al 2O 3еще труднее, и вместо поисков химического реагента, который даст нам необходимые три электрона для превращения иона Al 3+в нейтральный металл, мы обратимся к женным электронам.

Во время электролиза мы вводим электроны из одного электрода (электропроводящего стержня) в раствор ионов Al 3+. Ионы с этого электрода перепрыгивают в раствор и захватываются ионами Al 3+. Когда все ионы Al 3+поглотят таким образом по три электрона, мы получим атомы Al(0), которые начнут быстро соединяться и образовывать металлический алюминий, опускающийся на дно реакционного сосуда. С противоположной стороны второй электрод ждет возможности принять испущенные первым электродом электроны, чтобы замкнуть электрическую цепь. Поскольку электроны из входящего электрода не идут дальше, их нужно брать где-то еще, и если ваш расплав представляет собой жидкий Al 2O 3, то в роли источника остаются только ионы О 2–. Они имеют отрицательный заряд, так что для них логично направиться к положительно заряженному электроду и отдать два электрона.

Al 3++ 3e —→ Al

2O 2–→ O 2+ 4e —.

Поскольку ни один электрон не может ускользнуть, их количество, принимаемое алюминием, должно точно соответствовать количеству, отдаваемому кислородом, что дает нам полную реакцию:

4Al 3++ 6O 2–→ 4Al + 3O 2.

Конечно, эта реакция прямо противоположна той, которая произошла бы самопроизвольно, если бы молекулы кислорода могли расколоть тонкий, но непроницаемый слой оксида, защищающий поверхность всех алюминиевых предметов, что придает им потрясающие антикоррозионные свойства. Причина того, что при помощи электролиза мы можем сделать прямо противоположное, заключается в том, что в этой реакции мы задействуем большое количество электрической энергии, которая превращается в химическую энергию, запасаемую в полученных веществах. Это очень дорогостоящая реакция. Если вы хотите провести электролиз воды, описанный в школьном учебнике, вы можете использовать обычный аккумулятор, но для получения алюминия лучше обзавестись гидроэлектростанцией или еще каким-то источником дешевой электроэнергии. Вот почему в Исландии существует промышленное производство алюминия. Боксит стоит недорого, и его можно перевозить по морю, но на земле мало мест, которые могут производить электричество по такой низкой цене, как Исландия.

Все это было известно и во времена Наполеона III. Проблема заключалась в том, что высокая температура плавления оксида алюминия (2072 °C) делала процесс практически невозможным. Затем появились Холл и Эру, которые показали, что можно растворить оксид алюминия в расплаве гексафтороалюмината натрия (Na 3AlF 6), уменьшив таким образом необходимую для процесса температуру примерно на 1000 °C. Загвоздка была в том, что Na 3AlF 6, больше известный как криолит, можно было найти лишь в одном месте на планете – в шахте Ивиттуут на юге Гренландии. Вследствие этого, когда алюминий приобрел значение для военных, гренландские криолитовые шахты стали жизненно важным стратегическим активом, и этот факт героиня Хёга Смилла обнаруживает в архивах Криолитового общества в Копенгагене.

Оккупация Дании Германией в 1940 году заставила британцев и их союзников понервничать. Под предлогом путешествия через Северо-Западный проход единственное судно канадского правительства, способное плыть через ледяные гренландские воды, – шхуна St. Roch («Св. Рох») под командованием Генри Ларсена из королевской канадской конной полиции – вышло из Ванкувера, чтобы разведать ситуацию, поскольку существовали опасения по поводу германского вторжения [129] Kenney G.I. Dangerous Passage: Issues in the Arctic. Natural Heritage Books, 2006. . Позже, со вступлением в войну США, криолитовый вопрос разрешился тем, что Гренландия временно стала американским протекторатом и производство на шахте Ивиттуут существенно возросло [130] Sørensen A.K. Denmark-Greenland in the Twentieth Century. Museum Tusculanum Press, 2009. .

В своем романе Питер Хёг намекает, что во время Второй мировой войны у немцев был план нападения и захвата криолитовой шахты. Однако единственным зафиксированным покушением нацистов на Гренландию была скромная попытка создать там метеостанцию. Небольшой десант в количестве 17 человек был вскоре обнаружен и обезврежен датским санным патрулем и американскими ВВС [131] Под командованием легендарного норвежского авиатора-полярника и полковника ВВС США Бернта Балхена. [132] Lorentz G., Hommerberg S. Bernt Balchen – Den flygande vikingen. AB Allhems förlag, 1945. .

Вместо этого немцы построили фабрику по производству синтетического криолита рядом с алюминиевым заводом на полуострове Херёйя на юге Норвегии. В то время этот процесс был новшеством, но Nordische Aluminium так и не начала полномасштабное производство, так как стала мишенью рейда бомбардировщиков. В результате фабрика была уничтожена, а из 180 вылетевших на задание утром 24 июля 1943 года самолетов В17 только один был потерян [133] Representative Missions: Heroya // Army Air Forces Report, 4 January 1944. . Однако благодаря умелой навигации и управлению первого пилота Осса Вернона Джонса подбитый В17 Georgia Rebel благополучно приземлился на нейтральной территории – в болоте на западе Швеции, неподалеку от маленького городка Орьенг. Это была первая из 200 подобных аварийных посадок самолетов ВВС США в Швеции за время Второй мировой войны [134] Bo Widfeldt R.W. Making for Sweden: The Story of the Allied Airmen Who Took Sanctuary in Neutral Sweden. P. 2 The United States Army Air Force. Air Research Publications, 1998. .

К тому времени, когда Хёг написал свой роман, криолитовые шахты уже пару лет как полностью истощились, и в процессе изготовления алюминия использовался искусственный криолит. В то время как приключения Смиллы перемещаются в другую, более близкую к биологии плоскость, мы берем криолитовый след в триллере авторства шведского физика и венчурного капиталиста Леннарта Рамберга «Киото и бабочки» (Kyoto och Fjärilarna, 2007) [135] Ramberg L. Kyoto och fjärilarna. Kabusa Böcker, 2007. . В этом романе мы тоже отправимся в экспедицию на Крайний Север, но на этот раз цель обозначена с самого начала: найти таинственный источник молекул тетрафторметана, которые обнаружил в воздухе над Арктикой исчезнувший эксцентричный профессор химии. Книга написана в жанре экологического триллера, поскольку молекулы тетрафторметана вызывают парниковый эффект, более чем в 1000 раз превышающий воздействие углекислого газа [136] Forster P., Ramaswamy V., Artaxo P. et al. Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing // Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of 181 Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2007. . В романе автор также постарался детально описать такой любимый химиками-аналитиками инструмент, как газовый хроматограф (возможно, это первая подобная попытка в популярной литературе).