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

6NH3 (г) + 12O2 (г) → 6HNO3 (aq) + 6H2O (ж).

Эта реакция выглядит гораздо более сложной, чем предыдущая, а в реальности дело обстоит еще хуже, поскольку это лишь сильно упрощенная схема процесса, который состоит из множества различных индивидуальных реакций.

Путаницу вносит и то, что уравнение химической реакции может подразумевать две разные вещи. Когда мочевина встречается с водой, уравнение реакции описывает фактическое столкновение реагентов, в результате которого получается один или два продукта – в нашем случае это аммиак и углекислый газ. В подобные реакции обычно вступают только две молекулы, поскольку вероятность одновременного столкновения трех молекул крайне мала: точно так же встреча с другом в центре города субботним утром – это обычное дело, но, для того чтобы трое друзей сошлись в одном месте, обычно требуется некоторое предварительное планирование, не говоря уж о 18 молекулах, которые необходимы для приведенной выше реакции.

Рисунок 34. Упрощенный механизм реакции образования аммиака и углекислого газа из мочевины и воды. Пунктирные линии обозначают образующиеся новые связи или распадающиеся старые.

В реакции нитрификации, в свою очередь, мы рассматриваем систему целиком: что попадает внутрь бактерии или набора различных бактерий в почве и что выходит наружу. Подобным же образом дети заходят в систему школьного образования с одного конца и выходят инженерами-химиками с другого. Мы знаем, что в промежутке они проходят множество важных стадий, но в очень упрощенном виде работает это именно так. Так же как и в школьном образовании, где есть (наверное, к счастью) и другие выходы, кроме как стать инженером-химиком, это уравнение не описывает всех вариантов того, что происходит с атомами азота. Однако, если мы попытаемся создать для бактерий идеальные условия, как это делалось в XVIII веке, когда строили специальные селитряные амбары, мы сможем заставить большую часть атомов азота пойти по желаемому пути.

Эти реакции выглядят сложными не только для нас; они и в самом деле настолько сложны, что лишь несколько избранных организмов могут с ними справиться, и у этих организмов развились для этого весьма своеобразные молекулярные механизмы. Ферменты – белки, которые катализируют химические реакции в живых организмах, и в них часто встречаются ионы металлов в стратегическом положении. Некоторые из них знакомы вам по полке с пищевыми добавками в местной аптеке: железо (Fe), цинк (Zn), кобальт (Co), марганец (Mn); однако нитрифицирующая бактерия, не настроенная работать поутру, не найдет тут подходящего средства, потому что у аптекаря редко найдешь молибден (Мо).

Ферменты, которыми пользуются нитрифицирующие бактерии, также содержат железо и медь, но использование молибдена выходит из ряда вон. Это переходный металл, совсем как железо, хром и кобальт, но он находится во втором ряду переходных металлов, а не в первом и поэтому существенно «тяжелее» ионов других металлов, которые используют различные живые организмы.

Но даже если бактерии хорошо поработали, нитрат и вода – не единственные ингредиенты в зловонных котлах зелейщиков: здесь требуется дополнительная очистка. Поэтому, когда варево остывает, в котлы добавляют золу, которая состоит главным образом из карбоната калия (К2СО3), известного также как поташ. Теперь мы переходим от биотехнологии к несложной химии простых солей – кристаллических веществ, содержащих положительно заряженные катионы (такие, как натрий +1) и отрицательно заряженные анионы (например, хлор), которые вместе дают то, что мы обычно называем солью – NaCl (т).

Когда вы добавляете хлорид натрия в воду, то видите, что он довольно быстро исчезает, растворяясь. Обычно это и происходит с солями, содержащими хлорид-ион, поскольку они растворимы; однако нитратсодержащие соли еще более растворимы (вот почему у нас нет гор, состоящих из нитрата натрия, как мы видели в главе 14). Белесая субстанция, остающаяся после костра или шашлыка, – зола – состоит из частиц органической материи, которые не сгорают и не образуют газы. Это по большей части ионы металлов, преимущественно калия (К+), а также натрия, и карбонат-ионы (СО32–), которые нужны ионам металлов для образования нейтральной соли.

Добавление К2СО3 в котлы приводило к образованию некоторого количества белой мути, которая оседала на дне. Это карбонат кальция и магния, СаСО3 и MgCO3, – тот же белесый налет, который вы обнаруживаете на дне и стенках чайника, если живете в местности с жесткой водой. Хлорид натрия также менее растворим, чем KNO3, и, выражаясь языком химии, он «выделялся из раствора». Оба этих осадка затем удаляли и выбрасывали. После этого, пока котлы медленно остывали, в них формировались кристаллы KNO3 – вероятно, сначала на поверхности и стенках сосуда, – и наконец, после длившегося целую неделю процесса, Пер и Эсбьёрн могли собирать кристаллы нитрата калия и везти этот продукт на королевский пороховой завод для дальнейшей переработки[198].

K+ (горячая H2O) + NO3— (горячая H2O) → охлаждение и частичное испарение → KNO3 (кристаллы) + H2O.

Ну а затем они перебирались к следующему несчастному крестьянину. Вот только в тот день возникли определенные осложнения, поскольку на глубине полуметра в земле под коровником господина Йонса они обнаружили человеческий череп. Вызвали земского начальника Ингевальда Кнутссона Пеппанеса с помощниками, и началось расследование с тщательным допросом местных жителей. Состоявшийся 23 июля 1708 года экстренный окружной суд постановил, что череп пролежал в земле долгое время и что невозможно продвинуться дальше в этом расследовании, поскольку никто из жителей деревни не признался, что ему что-либо известно об этом деле[199].

Крестьяне не испытывали добрых чувств к зелейщикам, в особенности из-за того, что те иногда были не из местных и приезжали издалека, чтобы заниматься своим ремеслом. Может быть, в этой деревне встретил свой страшный конец какой-нибудь особенно грубый и безжалостный представитель этого рода королевских войск, который невольно сам себе вырыл могилу и был убит недовольным крестьянином? Справедливости ради надо отметить, что в Англии зелейщиков ценили ничуть не больше: к примеру, допущенные ими злоупотребления обсуждались в парламенте в 1606 году[200].