Последний алхимик в Париже. Увлекательные истории из мира химии

2

Из Биттерфельда с любовью

В главе 2 мы попадем в обманчивый и мрачный мир разведки и шпионажа, а заодно узнаем, как добывать металл из горных пород.

В сентябре 1961 года Генри Лёвенхаупт бросил последние куски восточногерманского металлического кальция в реку Потомак и наблюдал за бурной реакцией, в результате которой вода закипела, поскольку металл передал два своих электрона в молекулы H2О, в результате чего выделился водород и большое количество тепла. Разбор химических реакций может показаться пугающе трудным занятием, но на самом деле это совсем несложно, и по мере своего рассказа я обязательно продемонстрирую вам парочку уравнений. Просто запомните, что атомы и электроны никогда никуда не исчезают, и вы во всем разберетесь.

В виде уравнения описанное выглядело бы так:

Ca + 2H2O → Ca2+ + H2 + 2OH—.

Возможно, оно покажется вам немного похожим на реакцию металлического натрия с водой, которую многим из нас демонстрировали в школе; так оно и есть. Однако реакция с кальцием протекает немного медленнее, и в ней выделяется меньше энергии, потому что от атома отрываются два электрона, а не один, как в случае с натрием[30]. (Отрыв электронов представляет собой то, что мы называем окислением, и кальций изменил степень окисления с 0 на +2.)

Мистер Лёвенхаупт наверняка все это знал. Он окончил Йельский университет, принимал участие в Манхэттенском проекте по созданию первой атомной бомбы и посвятил оставшуюся часть своей карьеры работе в ЦРУ – с основания этой организации в 1947 году и до своей отставки в 1991-м[31]. Брошенный в Потомак металлический кальций был остатками проекта, который мог бы спасти ЦРУ от первой для них крупной неудачи и который был частью одной из самых изощренных диверсионных операций в истории – операции «Гаечный ключ»[32].

Как мы выяснили в главе 1, испытания первой советской атомной бомбы в 1949 году стали полной неожиданностью для ЦРУ и МИ6. Но к их чести – по крайней мере, к чести американцев – надо отметить: для русских стало полной неожиданностью, что их немедленно вычислили. (Устройство этой системы обнаружения уже само по себе является интереснейшей историей.) Так почему же разведки США и Соединенного Королевства так катастрофически недооценили скорость развития сталинской атомной программы? По существу, они неверно оценили способность Советского Союза производить уран. Для этого в дополнение к существующим запасам, захваченным у немцев, использовались бедные ураном руды из шахт в Уральских горах.

Шпионаж непосредственно на русских атомных объектах был исключен, однако большое количество информации можно было добыть из других источников. Одной из важных целей был Uranverein – «Урановый клуб» нацистской Германии: это кодовое название носила программа по созданию атомной энергии и ядерного оружия, которая попала под управление русских на оккупированной ими территории. Одним из ключевых вопросов было то, как именно русские собирались получать уран из урановых руд.

Согласно общему правилу, металлы нестабильны в своей нейтральной форме (с нулевой степенью окисления), с известными исключениями в виде благородных металлов – золота и серебра – и меди, которые, если вам повезет, можно обнаружить в виде самородков. Эти металлы очень крепко держатся за свои электроны, чем кардинально отличаются от натрия и кальция, которые только и ждут чего-то подходящего, чтобы сбросить туда электроны со своей последней заполненной орбитали[33].

При определенных обстоятельствах уран может быть так же хорош, как золото, но он ни в коем случае не является благородным металлом. В природе он обычно встречается в форме со степенью окисления +4, U4+, с четырьмя оторванными электронами, обычно соединяясь с кислородом в UO2 (или в минерал уранинит с примерной формулой U3O8, в котором сосуществуют ионы U4+ и U6+). Чтобы вернуть электроны на место и получить металлический уран, нам потребуется нечто, что очень хочет отдать свои электроны, – то, что мы называем сильным восстановителем.

Большинство химических реагентов, которые используются при производстве урана из урановой руды, ничем не примечательны и используются также и для других целей, но из-за того, что уран настолько неблагородный, ему требуется очень сильный восстановитель, чтобы стать металлом. Немцы использовали металлический кальций, производившийся в Биттерфельде – маленьком городке под Лейпцигом в Восточной Германии и неподалеку от старой урановой шахты в Йоахимстале (Яхимове) в Чехии. Поскольку Германия была разделена оккупационными державами, а появление Германской Демократической Республики с ее строгим пограничным контролем было еще впереди, получение разведданных с занятой русскими территории было по крайней мере осуществимо, и МИ6 и ЦРУ пристально наблюдали за заводом в Биттерфельде (и друг за другом).

В 1947 году были собраны доказательства того, что завод в Биттерфельде ежемесячно производит 30 тонн дистиллированного металлического кальция высокой чистоты. Дистилляция ассоциируется у нас с отделением этанола от воды и производством спирта на винокурнях. Этот метод основан на разных температурах кипения двух веществ: этанол закипает при 78 °C, а вода – при 100 °C; однако на самом деле дистилляция – это очень распространенный метод очистки в химической промышленности, применимый к самым разным веществам. Если охладить воздух до состояния жидкости (для этого он должен быть очень-очень холодным), его можно подвергнуть дистилляции и выделить разные его компоненты, такие как азот или неон[34]. Кальций плавится при 842 °C и кипит при 1484 °C, но эти температуры снижаются при понижении атмосферного давления. Однако для этого вовсе не обязательно строить химический завод в Гималаях, поскольку создать похожие условия на заводе довольно легко, и в 1946 году США уже внесли вакуумные насосы в «список контроля за экспортом», помешав торговой организации русских получить большой заказ.

Задача, стоявшая перед Лёвенхауптом и его коллегами, звучала так: им нужно было удостовериться, что 30 тонн кальция в месяц отправятся для использования в советской ядерной программе, а не для какого-либо понятного употребления в немецкой промышленности. Проведя расследование, они установили, что около 5 тонн не особенно чистого металла ежемесячно производилось во время войны для компаний Osram и Phillips – по всей видимости, для изготовления радиоламп; еще 20 тонн различных сплавов кальция с алюминием и цинком ежемесячно продавались немецким железным дорогам. Таким образом, получалось, что 30 тонн дистиллированного кальция никак не могли попасть к покупателям в немецкой промышленности, и, когда находившийся на заводе в Биттерфельде агент сообщил, что 26 июля 1947 года три железнодорожных вагона с дистиллированным кальцием отправились по адресу: Электросталь, Москва, п/я 3, Курская железная дорога, все должны были понять, что правда выплыла наружу.

Чтобы выяснить, что именно русские собирались делать с этим кальцием, агент на заводе в Биттерфельде похитил его образец, и, когда ЦРУ получили результаты полного анализа, стало ясно, что он обладает всеми техническими характеристиками, необходимыми для преобразования ионов урана в металлический уран высокой степени чистоты, готовый для применения в атомной энергетике. Добиться этого можно было следующим способом: сначала нужно было создать молекулы UF4, а затем провести их реакцию с металлическим кальцием, чтобы получить фторид кальция и металлический уран. Эту реакцию удобнее записать в виде вот такого уравнения:

2Ca + UF4 → 2CaF2 + U.

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 F2, легко понять, что уран стартует со степени окисления +4, а каждый из двух атомов кальция приходит к степени окисления +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,10В, и одна с дополнительным нейтроном,11В, или бор-11 (использование надстрочных и подстрочных индексов показано на рисунке 6). Для ученых-ядерщиков бор-10 представлял собой большую проблему, так как его атомы поглощали любые нейтроны, которыми обстреливали образец урана, чтобы расщепить его атомы (а также вторичные нейтроны, полученные в результате этого расщепления, где продуктом был плутоний), в итоге превращаясь в бор-11. Если в металлическом уране было слишком много бора-10, то ядерная реакция просто прекращалась.

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 He2+. В противоположность металлическому кальцию – мощному восстановителю, который охотно отдает свои электроны, – He2+ является сильным окислителем и крадет электроны у любого атома, встретившегося у него на пути, чтобы стать нормальным газообразным гелием. Весь имеющийся на Земле гелий, включая тот, которым заполнены воздушные шарики, купленные детям на прогулке в парке, когда-то был частью атома урана или тория (торий, Th, с зарядовым числом 90 – это еще один важный природный радиоактивный элемент). Воздушный шар с гелием, или, вернее, его отсутствие, станет одной из главных тем в главе 3.

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, Н2, нес из немецкого Франкфурта на авиабазу Лейкхерст в США самый большой в мире дирижабль, который за предыдущий год совершил множество успешных путешествий в разные точки земного шара.

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 H2, и He (а также почти все остальные газы) подчиняются чудесному закону химии, который называется уравнением состояния идеального газа. Помимо прочего, уравнение состояния идеального газа говорит нам, что, если мы удвоим вес (или, что более корректно, массу) газовой молекулы, плотность газа тоже удвоится.

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: 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

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

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.