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

Когда мы говорим об элементе из Периодической таблицы и пользуемся его обозначением, то имеем в виду (хотя можем этого и не осознавать) существующую в природе смесь его изотопов. К примеру, мы уже познакомились с двумя природными изотопами бора, а в столовой ложке серебра содержится 51,8 % изотопа серебра с 47 протонами, 47 электронами и 59 нейтронами – и 48,2 % изотопа, в котором 47 протонов, 47 электронов и 61 нейтрон.

В химическом отношении такие пары изотопов – почти идентичные близнецы, потому что в химии имеет значение количество электронов, которые атомы используют для создания химических связей, и количество протонов, которое определяет, насколько прочно ядро удерживает отрицательно заряженные электроны. Очевидно, что нейтрально заряженные нейтроны не участвуют в этой игре, так как не притягивают и не отталкивают электроны и не оказывают влияния на силу химических связей, образованных электронами. Именно эта идея лежала в основе операции «Гаечный ключ» в главе 2: обычный химический анализ не выявил бы подмены в содержании изотопов.

Итак, обычно, говоря о воде, мы имеем в виду Н 2О, где символ «H» относится к обоим стабильным изотопам: 98,98 % по содержанию составляет обычный водород, а 0,02 % приходится на дейтерий – это природное содержание изотопов для водорода. Атому кислорода все равно, связываться ли с H или с D, и молекула воды может содержать ни одного, один или (очень редко) два атома дейтерия. Это означает, что питьевая вода содержит H 2O, HDO и D 2O в приблизительной пропорции 25 000 000:5000:1. Таким образом, на первый взгляд кажется, что шансы встретить молекулу D 2O невелики, но поскольку в столовой ложке воды содержится 500 000 000 000 000 000 000 000 молекул воды (5 × 10 23), то вы можете сделать ставку у своего букмекера на то, что каждый день поглощаете достаточное количество молекул тяжелой воды.

Значит, мы пьем эту воду и готовим на ней пищу; но можно ли получить ее в чистом виде? Ответ утвердительный, и именно поэтому вам не стоит заменять ежедневную порцию H 2O на D 2O. Химические связи, которые дейтерий образует в организме с углеродом, азотом и кислородом, будут почти такими же, как те, которые образует водород, но скорость, с которой ферменты (белки-катализаторы в нашем теле) обращаются с водородом или дейтерием, будет отличаться, так как дейтерий в два раза тяжелее водорода. Это означает, что употребление тяжелой воды будет медленно искажать ваш метаболизм и в итоге у вас возникнут серьезные проблемы со здоровьем. Эта небольшая разница в продолжительности процесса – или, вернее, в скорости реакции, как называют ее химики, – лежит в основе производства тяжелой воды.

Поскольку нейтрон открыли лишь в 1932 году, а дейтерий – почти сразу после этого, нет ничего удивительного в том, что первые сообщения об интересе нацистов к тяжелой воде разведка встретила несколько скептически: на службе практически не было офицеров с естественно-научным образованием [140] Отметим, к примеру, что «кембриджские шпионы» Маклин, Филби, Бёрджесс и Блант имели высшее образование в области современного языкознания, экономики, истории и искусствоведения соответственно. . К счастью, физик Реджинальд Джонс стал первым ученым, завербованным в разведку в 1939 году, и смог немедленно приступить к действиям, когда получил от норвежского ученого телеграмму, в которой тот сообщал о планах нацистов увеличить производство тяжелой воды в оккупированной Норвегии [141] Jones R.V. Most Secret War. Hamish Hamilton, 1978. .

Несмотря на то что высокая концентрация и долгий прием тяжелой воды вредны для здоровья, в планы немцев не входило медленное отравление британцев D 2O, произведенной на заводе Norsk Hydro’s Vemork в Рьюкане. Желание заполучить единственный в Европе крупный завод по производству тяжелой воды не было основной причиной оккупации немцами Норвегии в 1940 году, но это непременно принесло бы пользу Uranverein – нацистскому проекту по созданию ядерной бомбы.

К несчастью для нацистов, союзникам было известно о существовании завода в Рьюкане (в горах на юге Норвегии, в губернии Телемарк). Он был частью большой системы химических заводов, где основными реагентами служили электроны – очень дешевые электроны, которые использовались в самых разных процессах. Одним из направлений было производство газообразного водорода путем электролиза воды, в результате которого получался побочный продукт – вода, обогащенная D 2O. Тяжелую воду здесь производили с середины 30-х годов, а последнюю предвоенную поставку тайно получило Второе разведывательное управление – орган военной разведки вооруженных сил Франции; 185 кг этой воды второпях привезли ради безопасности в Англию двое французских ученых, спасавшихся от немецкого вторжения в начале лета 1940 года [142] Thomas, Foreign Volunteers of the Allied Forces. .

Рисунок 24.Электростанция «Веморк» в Рьюкане. Коллекция Гундерсена / Норвежский музей промышленности.

Отдаленное расположение завода было благом лишь отчасти: его было легко защищать и патрулировать, но во многих отношениях он был более уязвим для дерзких диверсионных операций, чем если бы располагался, скажем, в Людвигсхафене на Рейне. Людвигсхафен служил домом большому химическому конгломерату, однако ему не хватало важного ресурса: дешевых электронов, которые можно получить на гидроэлектростанции.

Если у вас есть доступ к электричеству, вы можете провести электролиз, пропуская электрический ток через раствор при помощи двух электродов, как описывалось в главе 10. Если раствор водный, а напряжение достаточно высокое (это классический демонстрационный опыт из школьной программы), то вы получите газообразный водород там, где электроны попадают в воду и где собираются катионы (катод), и кислород там, где они снова возвращаются в замкнутую электрическую цепь (анод). Если вы работаете с расплавом оксида алюминия, то на катоде вы получите металлический алюминий, а из концентрированного раствора хлорида натрия (столовой соли) на аноде вы можете получить газообразный хлор. Все эти процессы служат рабочими лошадками для химической промышленности по всему миру.

В Рьюкане главной целью компании Norsk Hydro было производство аммиака, который далее переправлялся на одну из фабрик в Херёйе (да, то самое место, которое упоминалось в главе 10), где из него делали азотную кислоту и удобрения. Первоначально азотную кислоту производили прямо в Рьюкане, используя очень энергозатратный электродуговой метод, когда азот и кислород вынуждают вступать в реакцию прямо в воздухе; но к 30-м годам этот метод заменили гораздо более эффективным процессом Габера – Боша. В реакции Габера – Боша азот из воздуха соединяется с газообразным водородом, и в результате получается аммиак: