Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша - Постникова Оксана Г. 3 стр.

4

Вы не видите в подробностях, как электроны меняют свою принадлежность в этой реакции, но, поскольку фтор всегда считается имеющим степень окисления минус один, за исключением газообразной формы F

2

Одно из полезных свойств уравнения химической реакции заключается в том, что теперь мы можем точно подсчитать, сколько урана русские могли производить каждый месяц. Не буду утомлять вас деталями[35], но этот процесс не особенно отличается от подсчета количества меренги и майонеза, которое вы можете приготовить из определенного числа яиц. Поскольку уран гораздо «тяжелее» кальция, теоретически можно получить почти 200 тонн урана из 30 тонн кальция. При реальном производстве эта цифра ниже, а кальций используется с большим избытком. Американцы подсчитали, что с техническим максимальным выходом, равным примерно 1:2,2, из 30 тонн кальция получится лишь 66 тонн урана.

И все же основанные на этих цифрах подсчеты демонстрировали, что у русских гораздо больше урана, чем предсказывалось на основании доступных им источников этого элемента. По неясным причинам (Лёвенхаупт винил в этом «спесь») эта информация не привела к соответствующим действиям, иначе дата первых испытаний русской атомной бомбы наверняка была бы пересмотрена. Неизвестно, привело бы это к каким-либо изменениям, но фактором, который, возможно, оказал некое влияние, стала операция «Гаечный ключ», разработанная легендарным офицером МИ6 и химиком Эриком Уэлшем.

Самой важной технической характеристикой металлического кальция можно считать содержание примесного бора. Бор – элемент с символом В и зарядовым числом 5 – существует в природе в двух формах, которые мы называем изотопами: одна с пятью протонами и пятью нейтронами в ядре,

10

11

Обычный химический анализ металлического кальция с завода в Биттерфельде не показал бы, сколько изотопов каждого типа в нем присутствует, поскольку их химические свойства идентичны: в обычных тестах проверялось лишь то, что содержание бора составляло менее одной части на миллион. Капитану Уэлшу пришла в голову идея заменить природный бор, в котором содержится лишь 20 % губительного бора-10, на искусственно обогащенный образец. При условии, что происхождение образца никогда не будет предано огласке, материал с 90 %-ным содержанием бора-10 (при таком его уровне ядерное применение металлического урана становится совершенно невозможным) можно было получить в Комиссии США по атомной энергии, которая, в свою очередь, получила его как побочный продукт Манхэттенского проекта.

Рисунок 6. Как пишутся массовое число и зарядовое число рядом с символом элемента? «5» и «В» говорят об одном и том же, но «11» обозначает конкретный изотоп, который мы также можем назвать бор-11.

Однако операция так и не была осуществлена, несмотря на то что обогащенный материал передали агенту на завод в Биттерфельд. Производство кальция на некоторое время остановилось, и агент опасался, что операцию разоблачили; а потом русские взорвали свою бомбу и построили собственные заводы по производству кальция, и всю операцию свернули. Но агент зря беспокоился. Уэлш настаивал на проведении операции под непосредственным руководством «С» («М» в романах о Джеймсе Бонде), в обход Кима Филби[36] и ему подобных, так что операция была бы вполне надежной – или, по крайней мере, настолько надежной, насколько это вообще возможно для подобных затей[37]. (Немецкого инженера и агента МИ6 вскоре эвакуировали и поселили в Аргентине под другим именем[38].)

Образец материала с примесями бора спокойно вернулся из Восточной Германии в Комиссию США по атомной энергии, и не существует никаких письменных свидетельств, что он когда-либо покидал отведенную ему полку в хранилище. Биттерфельд сыграл в истории урана центральную роль, но в нынешние времена ему приходится довольствоваться тем, что там проводится фестиваль хеви-метал музыки United Metal Maniacs.

Даже если мы не облучаем атомы урана нейтронами, они естественным образом разрушаются сами в процессе, известном как радиоактивный распад. Этот распад может происходить разными способами. В одном из вариантов распада излучается альфа-частица, больше известная как ион He

2+

2+

3

Загадочное происшествие с собакой в дирижабле[39]

В главе 3 мы играем с огнем и газами и изучаем одно из самых важных для науки уравнений.

Йозефу Шпе нужно было покормить собаку; в этом не было ничего странного. Проблема заключалась в том, что его немецкая овчарка Улла находилась в грузовом отсеке, куда вход пассажирам был воспрещен. Если бы все шло по плану, то и это не было бы проблемой, если не считать сердитых замечаний от членов экипажа, которые не понимали потребностей его хвостатой подруги и коллеги по сценическим выступлениям[40].

Но этот полет пошел не по плану, и частые визиты в хвостовую часть дирижабля доставят Йозефу много неприятностей в последующие годы[41].

Департамент энергетики США и его аналоги в Европе и Японии тратят миллиарды на разработку будущих способов применения водорода в сфере энергетики – например, в качестве топлива для автомобилей и автобусов[42]. Главное преимущество такого топлива – его экологически чистое сгорание: две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода и образуют две молекулы воды. Возможно, будущее за «водородной экономикой», но, к несчастью для его сторонников, история водорода в качестве топлива связана с трагедией дирижабля Hindenburg («Гинденбург»).

Мы вскоре вернемся к бедной собаке Йозефа Шпе, но пока поразмыслим над тем, что над головами собаки и всех пассажиров роскошного комфортабельного дирижабля находились огромные баллоны, наполненные водородом – это самый легкий из химических элементов: в его атомах лишь один протон и один электрон. У простого вещества водорода наименьшая плотность из всех газов, и он образуется из двух атомов водорода, соединенных одной-единственной химической связью, где два положительно заряженных ядра делят между собой два отрицательно заряженных электрона. Этот газ, Н

2

Сейчас мы склонны удивляться тому, что людям вообще пришла в голову идея путешествовать по миру в том, что можно назвать летающей бомбой. Но мы забываем, что немецкие торговые дирижабли, которые производила немецкая компания Luftschiffbau Zeppelin GmbH, имели отличные показатели безопасности.[43] Например, дирижабль Graf Zeppelin («Граф Цеппелин») прослужил без единой аварии восемь лет, совершая регулярные рейсы главным образом между Германией и Бразилией, а большие дирижабли по всему миру (за некоторыми немногочисленными исключениями) использовали в качестве подъемной силы именно водород – и делали это на протяжении примерно 30 лет.

Итак, в обитой асбестом курительной комнате на борту дирижабля Hindenburg, совершавшего свой первый регулярный рейс Франкфурт – Нью-Йорк в 1937 году, Шпе и другие пассажиры на досуге наслаждались видом на Атлантический океан и совершенно не думали о водороде. На любительской съемке, сделанной Шпе и чудесным образом уцелевшей в катастрофе, видно, как они увлеченно указывают друг другу на проплывающие айсберги, пока дирижабль приближается к Американскому континенту на достойной уважения скорости 134 км/ч[44].

Как глупо, думаем мы сегодня; почему они не использовали вместо водорода гелий? А потом вспоминаем, что США наложили на нацистскую Германию торговое эмбарго, поэтому немцы не могли покупать гелий. Но при проверке деталей выясняется, что история сложнее и интереснее, чем этот простой, общеизвестный, но, как мы увидим дальше, неверный «факт»[45].

Разумеется, инженеры знали о гелии. Этот одноатомный газ с двумя протонами, двумя нейтронами и двумя электронами обладает большей плотностью, чем водород, и потому не имеет такой подъемной силы. Мы можем прийти к такому заключению, поскольку и H

2

Однако у гелия есть и технические преимущества. То, что частицы простого вещества гелия в два раза тяжелее, означает, что гелий представляет собой лучший теплоизолятор, чем водород, – а этот фактор не стоит игнорировать в случае с дирижаблем, который весь день жарится на солнце. Проблема нагревания проистекает из того, что газ, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа, при увеличении температуры на 10 % (по шкале Кельвина) также увеличится в объеме на 10 % (или, если газ заключен в сосуд постоянного объема, на 10 % увеличится его давление на стенки сосуда). Инженеры должны были тщательно просчитывать оба этих следствия, чтобы удостовериться, что и контейнеры с газом, и алюминиевый корпус дирижабля смогут выдержать такое механическое напряжение. Так почему же с гелием меньше проблем? Потому что гелий медленнее нагревается: поскольку средняя скорость молекул тем ниже, чем они тяжелее, это означает, что гелий медленнее проводит тепло. Этот вывод мы тоже можем сделать из уравнения состояния идеального газа (надеюсь, теперь понятнее, почему оно настолько чудесно), а в холодных частях света мы извлекаем из этого знания пользу, устанавливая в домах окна с двойным или тройным остеклением, наполненные аргоном – газом, молекулы которого имеют массу, превышающую массу азота – главного компонента воздуха.

Уравнение состояния идеального газа имело колоссальное значение не только для основателей современной химии, но и для инженеров, проектировавших дирижабли, которые могли выдерживать изменения в объеме и давлении газа, а также адаптировавших их конструкцию к разным подъемным газам – водороду и гелию.

Большим преимуществом гелия является то, что он наименее активный из всех простых веществ: не существует ни одного известного нам сложного вещества, в котором атомы гелия соединялись бы с атомами других элементов. Поэтому этот газ не может вступать в опасные реакции, в противоположность водороду, который с готовностью вступает в реакцию с кислородом, и в некоторых пропорциях эта реакция становится взрывной.

Большая трудность для Германии, а также для Британии и Франции заключалась в том, что в Европе гелия не было. Единственным в мире поставщиком гелия были США, а в 20-х годах он даже там был в дефиците.

Гелий получается в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов в недрах Земли, в особенности тория и урана. Гелий просачивается через отверстия и трещины в скальных породах и добывается как примесный компонент природного газа. Поскольку в 20-х годах бурение осуществлялось в основном для получения нефти, природный газ добывали в небольших количествах, поэтому и гелия получали мало. Говорят, что, когда флот США запустил USS Shenandoah («Шенандоа»; см. рис. 8) – первый из четырех гигантских дирижаблей на основе гелия, в его газовых баках находилась большая часть когда-либо произведенного гелия и что, когда в 1924 году на вооружение был принят дирижабль USS Los Angeles («Лос-Анджелес»), возникли трудности с использованием двух воздушных судов одновременно из-за нехватки гелия.

Рисунок 7. Универсальный газовый закон рассказывает нам, как ведет себя газ в нормальных условиях. Вверху слева: давление (Р) на стенки сосуда – например, купленного в зоопарке воздушного шарика – возрастает, потому что молекулы газа ударяются о стенки, и чем больше таких ударов в секунду происходит, тем выше давление. Вверху справа

Примечания

1

Периодическая таблица химических элементов ИЮПАК (Международный союз специалистов по теоретической и прикладной химии, 2012 г.). URL: https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/.

2

Англ. spin – «вращение».

3

Из квантовой механики можно вывести (хоть это и нетривиальное упражнение даже для физиков) такую же периодическую таблицу и множество удобных объяснений поведения химических элементов.

4

Scerri E.R. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press, 2006.

5

Ball P. There is No Hidden Understanding to be Teased out by “Improving” the Periodic Table, Argues Philip Ball. But Eric Scerri Begs to Differ // Chemistry World, September 2010.

6

Браун Д. Код да Винчи (The Da Vinci Code). АСТ, 2004.

7

Адамс Д. Автостопом по галактике (The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy). АСТ, 1997.

8

В книге Д. Адамса ответ на этот вопрос должен был разрешить все проблемы Вселенной. Для его получения был создан специальный компьютер, который после 7,5 миллиона лет вычислений дал на него ответ – 42.

9

Отсылка к фильму «Угадай, кто придет к обеду?» (Guess Who’s Coming to Dinner). – Прим. ред.

10

Mwakikagile G. Botswana Since Independence. New Africa Press, 2009.

11

Lloyd’s of London – известный рынок страхования, существующий с XVIII века.

12

Parsons N., Henderson W., Tlou T. Seretse Khama. Macmillan, 1995; Mbanga W., Mbanga T., Seretse & Ruth. Tafelberg, 2005; Dutfield M. A Marriage of Inconvenience. Harper Collins, 1990.

13

Ibidem.

14

Duffy R.J. History of Nuclear Power // Encyclopedia of Energy. Elsevier, 2004. Vol. 4.

15

И в моем издании Laerebog i uorganisk kemi Нильса Бьёррума 1946 года он все еще находится там, даже несмотря на то что Бьёррум в былые времена преподавал химию Нильсу Бору.

16

49 Uranium Rush // Popular Mechanics, 2 (91). 1949.

17

Как это показано на обложке американского журнала «Популярная механика» 1949 года.

18

Willis R.P.H. The Uranium Story – An Update // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 106. 2006. P. 601–609; Masiza Z. A Chronology of South Africa’s Nuclear Program // The Nonproliferation Review Fall, 1993. P. 35–55.

19

Parsons, Seretse Khama.

20

Hyam R. The Political Consequences of Seretse Khama: Britain, the Bangwato and South Africa, 1948–1952 // The Historical Journal, 29. 1986.

21

Dutfield, A Marriage of Inconvenience.

22

Hyam R., Henshaw P. Prime Minister’s Office Papers // The Lion and the Springbok: Britain and South Africa Since the Boer War. Cambridge University Press, 2003.

23

Willis, The Uranium Story; Masiza, A Chronology of South Africa’s Nuclear Program.

24

3 февраля 1960 года в Кейптауне, говоря о деколонизации, Макмиллан объявил, что «над этим континентом веет ветер перемен, и Великобритания вынуждена с этим считаться». После этого в том же году большинство африканских колоний получили независимость.

25

Леди Рут Уильямс Кхама, 1923–2002.

26

McCall Smith A. The Number One Ladies Detective Agency. Polygon, 1999.

27

Hyam, Henshaw, The Lion and the Springbok.

28

Фильм получил два «Оскара»: Хепберн получила награду за лучшую женскую роль, а Уильям Роуз – за лучший оригинальный сценарий.

29

Campbell D. Alabama Votes on Removing its Ban on Mixed Marriages Special Report: The US Elections // The Guardian, 3 November 2000.

30

При реакции с металлическим натрием выделяется такое количество тепла, что водород иногда воспламеняется.

31

Некролог Henry S. Lowenhaupt, 87; CIA Trailblazer // The Washington Post. 14 March 2006.

32

Lowenhaupt H.S. Chasing Bitterfeld Calcium // Studies in Intelligence, 1 (17). 1996 (подчищенная версия: оригинал опубликован в 1973 г.).

33

Мы использовали это слово в предисловии; возможно, в школе вы слышали другой термин – электронная оболочка.

34

Это важный промышленный процесс. Неон и другие благородные газы используются в самых разных целях, а жидкий азот очень важен для охлаждающих установок, но его нужно отделить от жидкого кислорода – весьма опасного вещества.