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

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: когда молекулы холодные (низкая Т) и движутся медленно, меньшее их количество ежесекундно ударяется о стенки, и давление тоже будет ниже. Внизу слева: если мы увеличим число молекул газа (n), большее их количество будет ударяться о стенки каждую секунду. Внизу справа: если мы уменьшим объем (V), у молекул останется меньше места для движения, и опять большее количество молекул будет ударяться о стенки. Все это изящно выражено в формуле P × V = n × R × T[46], где R – это «универсальная газовая постоянная», число, имеющее гораздо более широкое применение, чем просто объяснение поведения гелиевых шариков.

Поэтому гелий считался важнейшим стратегическим ресурсом, его производство подчинялось Горному бюро, а экспорт находился под контролем министра внутренних дел. Крупный национальный резервный запас (которым все еще пользовались в 2013 году) был создан в 1925-м. Однако со временем производство гелия выросло, запасы пополнились, и правительство стало выдавать лицензии на экспорт.

Надо сказать, что среди населения идея о запрете на экспорт американского гелия продержалась дольше, поскольку президент Герберт Гувер счел нужным прокомментировать этот вопрос на пресс-конференции в 1930 году: «…Представление о том, что Соединенные Штаты препятствуют использованию гелия в развитии аэронавтики, совершенно ошибочно». Далее он уточнил: причина того, что экспорт гелия не увеличивается, заключается в том, что он в четыре раза дороже водорода и что водород можно «получить немедленно», в то время как обслуживающих станций с гелием в мире крайне мало[47].

Возможно, вы задаетесь вопросом, где мы берем водород, поскольку президент Гувер считал, что его легкодоступность очевидна. Частично на этот вопрос можно ответить, что существует много способов получения водорода, и, поскольку сам Гувер был горным инженером, он, вероятно, хорошо это знал.

В качестве прелюдии еще к одной известной катастрофе – шведской арктической экспедиции 1897 года с участием Андре, Френкеля и Стриндберга (родственника писателя с той же фамилией, с которым мы познакомимся в главе 12) – пароход Virgo («Вирго») перевозил чугун и серную кислоту на Шпицберген, где кислоту вылили на чугун. Водород, образовавшийся в результате этой реакции, собрали и использовали для наполнения воздушного шара Örnen («Орел»), который вскоре поднялся и улетел на север, и больше его никто никогда не видел.

H2SO4 + Fe → Fe2+ + SO2–4 + H2.

Рисунок 8. Если этот снимок корректно датирован 1924 годом, то изображенный на нем дирижабль USS Shenandoah, вероятно, содержит почти весь гелий, который на тот момент имелся в наличии. © CORBIS.

Однако чаще всего водород производят в результате нескольких связанных между собой остроумных процессов, в которых используются вода и углерод, а исходными материалами служат газ и нефть[48]; водород также можно получить путем прямого электролиза воды под действием электричества – эта реакция обратна потенциально взрывоопасной реакции окисления.

Итак, из-за легкости производства и большого количества возможностей срочной «дозаправки» водород по-прежнему оставался приоритетным газом для немецких и британских дирижаблей, а утверждение Гувера, сделанное им 10 октября 1930 года, вполне могло быть прямой реакцией на несчастный случай с британским дирижаблем R101.

Этот дирижабль был одним из двух первых воздушных судов, созданных в соответствии с государственным планом по внедрению авиасообщения с использованием дирижаблей. R101 разбился во время своего первого полета в окрестностях города Бове в Северной Франции всего через несколько часов после того, как пересек Ла-Манш. Это было правительственное воздушное судно, перевозившее британских госслужащих в Карачи (территория современного Пакистана), и многие надеялись, что R101 и его конкурент R100, произведенный на заводе Vickers, станут коммерчески успешными проектами.