АКАДЕМИЯ НАУК СССР
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ
В. И. МЕДВЕДОВСКИ Й
АЗОТ
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК СССР
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ
В. И. МЕДВЕДОВСКИЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК СССР
МОСКВА- 1957
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР
В. П. КАМЗОЛКИН
ГАЗ, «НЕ ПОДДЕРЖИВАЮЩИЙ ЖИЗНИ»
Трудно найти элемент, у которого название так про-
тиворечило бы его значению, как у азота. Слово «азот»
греческого происхождения и означает «не поддерживать
жизни».
Впервые азот был получен из воздуха в 1774 году.
Оказалось, что горящая лучинка, внесенная в сосуд, на-
полненный азотом, гаснет, а живое существо в атмосфере
этого газа быстро гибнет. За эти свойства азот и получил
свое название. Тем не менее без азота невозможна ника-
кая жизнь.
История открытия азота тесно связана с открытием
кислорода. Эти два газа составляют основную часть
воздуха.
В начале XVIII столетия воздух считали простым од-
нородным газом. Опыт, показал, что воздух необходим
не только для жизни живых организмов, но и для горе-
ния. Однако процесс горения объясняли ошибочно и свя-
зывали его с наличием некоей «огненной силы». Такого
представления придерживались многие ученые того вре-
мени, в том числе английский ученый Роберт Бойль, счи-
тавший, что он сумел доказать существование «огненной
‘материи».
Прокаливая различные металлы в запаянных стеклян-
ных сосудах, Бойль взвешивал их в открытых сосудах до
и после прокаливания. Оказалось, что вес металла после
прокаливания больше, чем до прокаливания. Он объяснил
это явление тем, что во время прокаливания невидимые
частицы огня и пламени проникли через стенки запаян-
ных сосудов, соединились с обжигаемыми металлами и
увеличили их вес.
М. В. Ломоносов в труде «Размышления о причине
теплоты и холода» критически подошел к этой теории
3
горения. Он утверждал, что материя, которая присоеди-
нилась к обжигаемому телу, не может принадлежать
огню, так как образующаяся при обжигании металла
окалина даже на сильном морозе не теряет в весе и не
отдает никакого тепла. По мнению Ломоносова, увеличе-
ние веса обжигаемого металла происходит оттого, что
частицы воздуха, окружающего металл, присоединяются
к нему. Эта смелая мысль коренным образом отличалась
от существовавших в то время представлений о горении
и вызвала резкие нападки на Ломоносова.
Для экспериментального подтверждения своей идеи
Ломоносов воспроизвел' опыты Бойля. Поместив в стек-
лянные реторты точно взвешенные куски металла, он на-
глухо запаял реторты и долго прокаливал на огне. Затем,
не вскрывая реторт, Ломоносов взвесил их после охлажде-
ния. Вес каждой реторты с металлом до и после прокали-
вания оставался неизменным. Это показало, что никакая
«огненная сила» в горении не участвует и через стекло не
проникает. Убедившись в постоянстве веса запаянных
реторт, Ломоносов вскрывал их одну за другой. Воздух
с шумом врывался в каждую из них, показывая, что в ре-
тортах образовалось разрежение.
«За счет чего же произошло разрежение?»,— задал
себе вопрос Ломоносов. И тут же отвечал, что часть воз-
духа, находившегося в ретортах, во время прокаливания
соединилась с металлом. Вес реторт с прокаленным ме-
таллом и вошедшим в них воздухом увеличился. Сомне-
ний не оставалось, мысль ученого об участии воздуха в
горении подтвердилась на опыте. Теории «огненной силы»
был нанесен решительный удар. В 1756 году в лаборатор-
ном журнале Ломоносова была сделана запись: «...Де-
ланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосу-
дах, дабы исследовать: прибывает ли вес металлов от чи-
стого жару. Оными опытами нашлось, что славного Робер-
та Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего
воздуха вес сожженного металла остается в одной
мере».
Этими опытами Ломоносов подтвердил открытый им
закон сохранения вещества, который еще за восемь лет
до этого был сформулирован им в письме к известному
математику, члену Петербургской Академии наук Л. Эй-
леру.
4
«Все изменения, случающиеся в природе,— писал
Ломоносов,— так происходят, что если к одному телу
что-нибудь прибавится, то столько же отнимется от дру-
гого. Так когда к какому-нибудь телу прибавляется
сколько-нибудь вещества, то точно столько же убавляет-
ся от другого».
В 1773 году выдающийся французский ученый А. Ла-
вуазье, повторив опыты с обжиганием металлов в запаян-
ных сосудах, пришел к тем же выводам, что и Ломоносов,
и занялся количественным определением состава воздуха.
Поместив немного ртути в стеклянную реторту • и
подведя узкий конец ее под цилиндр, опрокинутый в чаш-
ку со ртутью, Лавуазье стал нагревать реторту, доведя
ртуть почти до кипения. Вскоре на поверхности горячей
ртути появился красный налет. Это была окись ртути, ко-
торая образовалась от соединения ртути с кислородом
воздуха. Двенадцать суток длился опыт; по мере окисле-
ния ртути все больше и больше расходовалось кислорода
.воздуха. Давление в реторте и цилиндре падало. С пони-
жением давления ртуть всасывалась в цилиндр; когда
опыт был закончен, объем ртути, вошедшей в цилиндр,
составлял примерно !/5 общего объема воздуха до начала
опыта. Какой же газ остался в системе? Лавуазье внес
в него горящую свечу, и она погасла. Животное, поса-
женное в сосуд, наполненный этим газом, быстро погиб-
ло. Газ, который составлял большую часть воздуха, ока-
зался непригодным для жизни и не поддерживал горения.
Он был назван азотом.
Слово «азот» употреблялось задолго до присвоения
этого названия открытому газу. Однако оно имело совер-
шенно другой смысл. Так, в средние века алхимики назы-
вали азотом «философский камень», который они стара-
лись найти, чтобы с его помощью превращать металлы
в золото.
СВОЙСТВА АЗОТА
Физические свойства азота
Достаточно поверхностного ознакомления со свойства-
ми азота, чтобы стало ясно, что позднее открытие азота
во многом объясняется его малой химической активно-
стью и ничем не примечательными физическими свой-
ствами.
Человек окружен воздухом, он непрерывно пользуется
Им, но редко думает об этом, так как не замечает и не
чувствует воздуха.
Азот, как и все другие составные части воздуха, со-
вершенно бесцветен, не обладает ни запахом, ни вкусом и
при вдохе не раздражает органов чувств. Не замечает
человек и веса воздуха, хотя окружающий нас воздух,
в состав которого главным образом входит азот, имеет
довольно значительный вес. Один кубический метр азота
весит 1,25 килограмма. Вес кубического метра воздуха
несколько больше и составляет 1,3 килограмма. Нетруд-
но подсчитать, что в комнате площадью в 15 квадратных
метров, при высоте ее в 3 метра, содержится около 60 ки-
лограммов воздуха, из которых 48 килограммов падает
на азот. Казалось бы, что человек должен ощущать на себе
давление такой массы воздуха, но он не замечает его, так
как атмосферное давление на уровне моря колеблется в
пределах одной атмосферы^- а человеческий организм при-
способлен к такому давлению. Однако организм человека
легко реагирует на изменение в давлении воздуха. Из-
вестно, что с удалением от земли воздух все больше и
больше разрежается и давление его становится намного
ниже, чем на уровне моря. Без специальной тренировки,
6
на больших высотах, ’вследствие пониженного давления,
человек ощущает шум в ушах, тяжесть в голове, сонли-
вость, тошноту, а иногда наступает и потеря сознания. Эти
явления — характерные признаки так называемого кисло-
родного голодания организма,—связаны с тем, что
с уменьшением общего давления воздуха уменьшается
и давление входящего в состав воздуха кислорода.
От давления же кислорода главным образом и зави-
сит скорость поступления его в кровеносную систему.
В специальной тренировке нуждаются люди и при
работе в условиях повышенного давления. Такое давле-
ние создается, например, в кессон-аппарате, используе-
мом при строительстве подводных сооружений. Чем
глубже под воду опускается человек, тем выше становит-
ся давление воздуха в кессоне и тем оно больше отража-
ется на состоянии человека. При большом давлении азот
воздуха начинает растворяться в крови человека и вызы-
вает -отравление его организма.
Изменение давления воздуха приводит к изменению
парциального давления газов, входящих в его состав.
Парциальное давление любого газа пропорционально его
процентному содержанию в смеси. Если общее давление
смеси газов в воздухе равно 760 миллиметрам ртутного
столба, то парциальное давление «азота, объем которого
составляет 78 процентов общего объема воздуха, равно
592,8 миллиметра ртутного столба. Парциальное давле-
ние кислорода, занимающего 21 процент общего объема
воздуха, составит 159,6 миллиметра. На все остальные
газы, входящие в состав воздуха, останется всего лишь
один процент общего давления, или 7,6 миллиметра ртут-
ного столба.
Изменение давления газа сказывается на его раство-
римости. Все газы растворяются в воде, но каждый из них
в разных количествах. Любой газ, входит ли он в состав
какой-либо смеси газов или находится отдельно, обладает
своей собственной растворимостью, не зависящей от нали-
чия или отсутствия в воде другого растворенного газа. Но
имеются и общие закономерности для всех газов. Они
сводятся к тому, что с увеличением давления раствори-
мость газов увеличивается, а с повышением температуры
жидкости уменьшается. Если при нормальном атмосфер-
ном давлении пропустить чистый ззот через воду с тем-
7
пературой 0°, то в каждом литре воды растворится
23,9 кубического сантиметра азота, а при температуре
воды в 30° его растворится всего лишь 13,8 кубического
Тренировка воздухоплавателей в барокамере.
сантиметра. С понижением давления соответственно
уменьшится и растворимость азота.
Сколько же азота растворится в воде, если через
воду пропустить не чистый азот, а воздух? Ответить на
этот вопрос нельзя до тех пор, пока не будет известна
температура воды и давление воздуха. Если давление
воздуха над водой будет равно одной атмосфере, а тем-
пература воды 0°, то при пропускании воздуха че-
8
рез воду азота в ней растворится по сравнению с чи-
стым азотом во столько раз меньше, во сколько пар-
циальное давление азота в воздухе меньше одной атмо-
сферы.
Таким образом, азота из воздуха растворится в воде
не 23,9 кубического сантиметра, а только 18,6. Раствори-
мость чистого кислорода почти в два раза выше раство-
римости азота. При температуре 0° в одном литре воды
растворяется 49 кубических сантиметров чистого кисло-
рода. Так как парциальное давление кислорода в воздухе
при атмосферном давлении равно 159,6 миллиметра, то
растворимость кислорода из воздуха в одном литре воды
будет составлять не 49 кубических сантиметров, а только
10,3. Соотношение этих двух газов, растворенных в воде,
иное, чем в воздухе. В воде при температуре 0° содержится
в растворенном состоянии не 78 процентов азота, а лишь
64, а кислорода в ней почти на 14 процентов больше, чем
в воздухе.
Говоря о воде, которая находится в соприкосновении
с воздухом, мы имеем в виду не только тот слой воды,
который непосредственно соприкасается с газовой фазой,
но всю ее толщу. Азот, кислород и другие газы, раство-
ряясь в поверхностных слоях воды, самопроизвольно пе-
реходят вглубь нее. Самопроизвольный переход газов
или жидкостей из объема с большей их концентрацией в
объемы с меньшей концентрацией называется диффузией.
Благодаря диффузии содержание азота, кислорода и
других газов, растворенных в воде при одной и той же
температуре, будет одинаково на любой глубине. Если
же температура воды на различных глубинах разная, то
и содержание газов в воде будет соответствовать их рас-
творимости при данной температуре.
До сих пор мы говорили о физических свойствах газо-
образного азота. Но сам газообразный азот можно пере-
вести не только в жидкое, но и в твердое состояние.
При температуре—195,8° газообразный азот перехо-
дит в жидкость, а при дальнейшем охлаждении жидкий
азот превращается в бесцветную твердую массу с темпе-
ратурой плавления —209,9°.
Для того чтобы сохранить жидкий азот при комнатной
температуре, его держат в специальных стеклянных или
металлических сосудах,
9
Стеклянный сосуд для хранения жидких газов пред-
ставляет собой цилиндр с двойными стенками. Воздух из
пространства между стенками цилиндра выкачан. Внут-
ренние стороны станок покрыты тонкихМ блестящим слоем
Q	р|	серебра. Разрежен-
\	ные газы плохо про-
водят теплоту, а зер-
кальная поверхность
хорошо теплоту отра-
жает. Жидкий азот,
налитый в такой со-
1 __ посеребренные стенки сосуда; 2 — раз-
реженное пространство; 3 — жидкий азог;
4 — подставка.
суд, может сохра-
няться в нем в тече-
ние многих часов.
На этом же принципе
основано устройство
термоса.
При испарении
жидкий азот увеличи-
вается в объеме по-
чти в 1000 раз, по-
этому закрывать со-
суд опасно, так как
в нем может создать-
ся высокое давление,
спосо б ное р а зор в ать
его. Сосуды для хра-
нения жидкого азота
всегда остаются от-
крытыми, что, однако,
не сильно влияет на
скорость испарения.
Жидкий азот при своем испарении поглощает много теп-
лоты; слой воздуха, прилегающий к поверхности жидко-
сти, сильно охлаждается и тем самым замедляет ее даль-
нейшее испарение.
При переливании жидкого азота образуются клубы
белого пара. На первый взгляд это явление кажется
непонятным, ибо азот—бесцветный газ. Однако, так как
при испарении жидкого азота из окружающей среды по-
глощается большое количество теплоты, пары воды, обыч-
но находящиеся в воздухе, конденсируются и образуют
10
вокруг струи переливаемого жидкого азота туман, создаю-
щий впечатление пара, исходящего из самой жидкости.
В стеклянных сосу-
дах можно хранить
только сравнительно не-
большие количества
жидкого азота. Обычно
такие сосуды вмещают
не более двух литров.
Перевозить жидкий азот
в стеклянных сосудах
неудобно. Жидкий азот
перевозят в металличе-
ских сосудах емкостью
от 15 до 25 литров.
Металлические сосу-
ды обычно бывают ша-
рообразной формы с
двойными стенками. Из
пр остр а н ств а между
стенками сосуда воздух
выкачан и создано
сильное разрежение —
высокий вакуум. Под-
держивать высокий ва-
куум в металлических
сосуда х пр о дол ж и те л ь -
ное время довольно
трудно. Воздух может
просочиться через места
спайки или через стен-
ки сосуда, вакуум упа-
Металлический сосуд для хранения
жидких газов:
1 — стенки сосуда, 2 — разреженное про-
странство; 3 — силикагель; 4 — железный
цилиндр, 5 — теплоизоляционный мате-
риал; 6 — жидкий азот.
дет, теплопроводность
повысится и испарение жидкого азота ускорится. Для со-
хранения высокого вакуума часть пространства между
стенками сосуда заполняют пористым веществом — сили-
кагелем. При низкой температуре силикагель способен по-
глощать газ в объемах, в несколько сот раз больших соб-
ственного объема. Если в пространство между стенками
просочится небольшая часть воздуха, он поглотится сили-
кагелем, и жидкий азот по-прежнему будет предохранен
от воздействия внешней теплоты,
11
Металлический сосуд имеет высокое, всегда открытое
узкое горло, через которое он заполняется жидким азотом.
Шарообразные сосуды вставляются в железные цилиндры.
Пространство между
сосудом и наружным
цилиндром заполня-
ют теплоизоляцион-
ным материалом. В
таких сосудах жид-
кий азот можно со-
хранять в течение
двух суток.
Большие количе-
ства жидкого азота
перевозятся авто-
транспортом или по
железной дороге в
специальных цистер-
нах—так называемых
«танках». Они хорошо
изолированы от внеш-
ней теплоты тепло-
Танк для перевозки автотранспортом
больших количеств жидкого азота.
изоляционным материалом. Цистерны или танки вмещают
в себя от одной до нескольких десятков тонн жидкого азота.
Если поместить в жидкий азот или в другой сжижен-
ный газ, обладающий низкой температурой, кусочек ре-
зины, она потеряет свою эластичность и начнет трескать-
ся. Замороженную резину можно растереть в порошок.
В порошок можно превратить и замороженное мясо или
фрукты.
Цинковая пластинка, охлажденная в жидком азоте
до температуры — 195,8°, становится хрупкой, как стекло.
Жидкая ртуть при этой же температуре превращается
в твердую массу, которую можно ковать, как свинец, а
свинец приобретает способность при ударе звенеть, как
бронзовый колокольчик.
Чрезвычайно интересным свойством обладает охлаж-
денное олово.
При низких температурах обычное белое олово посте-
пенно переходит в серую рыхлую массу. Образование се-
рого олова идет особенно интенсивно при температуре
ниже —48°.
12
Явление это получило название «оловянной чумы» н
принесло в свое время много неприятностей интендант-
скому управлению царской армии. Однажды, в суровую
зиму, на неотапливаемых складах интендантства все оло-
вянные пуговицы, медали, духовые трубы и другие изде-
лия из олова рассыпались и превратились в серый порошок.
Нетрудно вообразить состояние работников, ведавших
этим имуществом. Долгое время это таинственное превра-
щение оставалось загадкой. Впоследствии были выясне-
ны не только причины разрушения белого олова, но и
способы его восстановления. Оказалось, что достаточно
серое олово облить горячей водой, как оно опять перехо-
дит в белое олово.
Мягкое железо, охлажденное до температуры жид-
кого азота, приобретает необычную для него хрупкость,
но не разрешается самопроизвольно, а разлетается на мел-
кие куски только под ударом. Если же охладить высо-
кокачественную сталь, то она совершенно не изменит
своих свойств, а лишь уменьшится в объеме. Этим вос-
пользовались в производстве при насадке одной детали
на другую. Раньше для насадки какой-либо металличе-
ской детали на вал ее нагревали, металл расширялся,
отверстие увеличивалось и в него свободно вставляли
вал. По мере охлаждения деталь уменьшалась в объеме
и плотно прилегала к валу. Этот удобный способ плотной
насадки одной детали на другую имеет, однако, и свои
недостатки. При нагревании больших деталей они иногда
коробятся и теряют свою первоначальную форму.
Для того чтобы избежать этой неприятности, в насто-
ящее время для насадки детали вал опускают в жидкий
азот и через некоторое время, когда он достаточно охла-
дится и уменьшится в объеме, его свободно вставляют в
отверстие подготовленной детали и дают постепенно со-
греться на воздухе. По мере согревания вал расширяется
и плотно прижимается к стенкам отверстия. Этот способ
насадки оказался более удобным и целесообразным и по-
лучил широкое применение в промышленности.
Свойство жидкого азота при испарении резко пони-
жать температуру окружающей среды используется в хи-
мической промышленности и в лабораториях для охлаж-
дения реагирующих веществ и для очистки воздуха от
всевозможных примесей.
13
Для очистки воздуха от влаги, углекислоты и других
газообразных примесей его пропускают через U-образ-
ную трубку, вставленную в сосуд с жидким азотом. Такая
трубка-ловушка может работать до тех пор, пока в ней
не накопится- столько льда, что проход для воздуха будет
закрыт. В этом случае воздух переключают на другую
ловушку, а первую подогревают, лед тает, жидкость из
ловушки выливают, а ловушку снова пускают в работу.
Ловушки с жидким азотом подключают к вакуумным
насосам, с тем чтобы предотвратить попадание в них
вредных газов и влаги.
Химические свойства азота
Трудно говорить о химических свойствах элемента, ко-
торый так мало активен, как азот.
В отличие от кислорода, который взаимодействует
почти со всеми элементами, встречающимися в природе,
газообразный азот при комнатной температуре соединяет-
ся с единственным элементом — литием, образуя при этом
нитрид лития (N2 + 6Li = 2Li3N).
С другими химическими элементами азот вступает
в реакцию только при высокой температуре, большом
давлении и в присутствии катализатора — постороннего
вещества, ускоряющего или способствующего протека-
нию реакции. В некоторых случаях реакция между газо-
образным азотом и элементами может протекать при со-
блюдении одного из этих условий, в других — при комби-
нации двух из них, а иногда для протекания реакции не-
обходимо соблюдение всех трех условий.
С металлами, как и в случае лития, азот дает нитри-
ды, в которых он обычно бывает трехвалентным (N2 +
+ 2А1 = 2A1N). Образования нитридов происходят при
высокой температуре, при непосредственном взаимодей-
ствии элементарного азота с раскаленным металлом.
Существует реакция, протекание которой как будто
бы опровергает малую активность азота. Это реакция об-
разования нитрида алюминия из окиси алюминия и азо-
та при высокой температуре (А12О3 + N2 + ЗС =
= 2A1N + ЗСО). Может показаться, что -в этой реакции
•азот более активен, чем кислород, и что при высокой тем-
пературе ему удается отобрать алюминий у кислорода.
14
На самом же деле это не так. В отсутствии углерода азот
не способен вытеснить кислород из окиси алюминия, так
же как без азота нельзя получить окись углерода из
окиси алюминия и угля. Дело в том, что в раскаленной
смеси окиси алюминия с углем в присутствии азота
создаются благоприятные условия для получения окиси
углерода с одновременным образованием довольно устой-
чивого нитрида алюминия.
Если через нагретую смесь соды -с углем пропустить
азот, получается натриевая соль синильной кислоты или
цианистый натрий и окись углерода (Na2CO3 + 4С +
+ N2 = 2NaCN + ЗСО).
Азот довольно легко поглощается раскаленным кар-
бидом кальция (СаС2), образуя при этом важный тех-
нический продукт — цианамид кальция (СаС2 + N2 =
= Ca(CN)2 + С).
Существуют и другие реакции, которые для азота
кажутся необычными. При высокой температуре уран так
бурно соединяется с азотом, что создается впечатление,
будто бы уран горит в атмосфере азота так же, как же-
лезная проволока горит в кислороде. Так же бурно реа-
гирует с азотом раскаленный церий.
Нитриды металлов в воде очень неустойчивы и раз-
лагаются на гидраты окиси металлов и аммиак (A1N +
+ ЗН2О = А1(ОН)3 + NH3).
Аммиак (NH3) —простейшее соединение азота и во-
дорода. Из всех химических соединений азота именно ам-
миак — наиболее важный промышленный продукт. В на-
стоящее время самое широкое применение в промышлен-
ности находит аммиак, полученный непосредственно из га-
зообразного азота и водорода (N2 + 3H2 ^2NH3).
Реакция эта, как видно из уравнения, обратима, т. е.
может протекать как в сторону образования аммиака,
так и в сторону его разложения на азот и водород. Чтобы
заставить реакцию идти в сторону образования аммиака
с нужной скоростью, необходимо подобрать наиболее
выгодные условия. Такими условиями служат: высокие
температура и давление и соответствующий катализатор.
Чрезвычайно важными химическими соединениями
азота являются его кислородные соединения.
Известны пять различных окислов азота: закись азота,
или веселящий газ (N2O), где азот одновалентен; окись
15
азота (NO), в которой азот двухвалентен; азотистый
ангидрид, или трехокись азота (N2O3),— в этом соедине-
нии азот трехвалентен; двуокись азота (NO2), где азот
четырехвалентен, и, наконец, азотный ангидрид, или
пятиокись азота (N2O5), в которой азот пятивалентен.
Кислородные соединения азота служат ярким приме-
ром того, как ‘изменяются качества тел при изменении их
количественного состава. Фридрих Энгельс по этому по-
воду писал: «Как отличен веселящий газ (закись азота
N2O) от азотного ангидрида (пятиокиси азота N2Os)!
Первый — это газ, второй, при обыкновенной температу-
ре — твердое кристаллическое тело. А между тем все
отличие между ними по составу заключается в том, что
во втором теле в пять раз больше кислорода, чем в -пер-
вом, и между обоими расположены еще три других окисла
азота (NO, N2O3, NO2), которые все отличаются каче-
ственно от них обоих и друг от друга».
Закись азота (N2O) не может быть получена из газо-
образного кислорода и азота, она образуется из азотно-_
кислой соли аммония, которая при осторожном нагрева-
нии разлагается на закись азота и воду (NH4NO3 =
= N2O + 2Н2О).
Закись азота — бесцветный газ, имеет сладковатый
вкус и слабый, приятный запах. Свойства этого газа
были изучены английским химиком Г. Дэви в 1799 году.
Интересуясь действием различных газов на организм чело-
века, Дэви обычно испытывал их на себе. При вдыхании
закиси азота, он пришел в возбужденное состояние, со-
провождаемое смехом. За эти свойства закись азота была
названа им веселящим газом. В дальнейшем было уста-
новлено, что при более длительном вдыхании закиси
азота наступает потеря сознания. Закись азота — окисел,
не дающий кислот; он относится к несолеобразующим
окислам.
Окись азота (NO) получается соединением азота с
кислородом при очень высокой температуре в электри-
ческой искре (N2+O2 —2NO). Реакция эта идет обра-
тимо, то есть наряду с образованием окиси азота идет ее
разложение. В электрической искре можно получить
сравнительно небольшое количество окиси азота. В при-
роде, также в небольших количествах, окись азота обра-
зуется из кислорода и азота воздуха во время грозы.
16
Окись азота — бесцветный газ тяжелее воздуха, не рас-
творяется в воде и представляет собой несолеобразующий
окисел. С кислородом она сразу же вступает в реакцию
и дает двуокись азота (2NO + О2 = 2NO2).
В лаборатории окись азота получают действием азот-
ной кислоты на медь. Если в колбу, наполненную разбав-
ленной азотной кислотой, опустить несколько кусочков
меди, то сразу же начнут выделяться пузырьки бесцвет-
ного газа — окиси азота. Если собрать окись азота в ци-
линдр и оставить его открытым, то газ в цилиндре
начнет буреть с поверхности и постепенно бурый слой бу-
дет увеличиваться, продвигаясь вглубь цилиндра. Это
окись азота окисляется до двуокиси азота кислородом
воздуха.
Двуокись азота (NO2) — газ в полтора раза тяжелее
воздуха. При охлаждении ниже нуля переходит в жидкость
желтоватого цвета, а при температуре—10° образует
бесцветную кристаллическую массу. Двуокись азота хо-'
рошо растворяется в воде, и, реагируя с ней, дает азотную
и азотистую кислоты (2NO2 + Н2О = HNO3 + HNO2).
Азотистый ангидрид, или трехокись азота (N2Os), при
комнатной температуре и атмосферном давлении мало-
устойчивое газообразное вещество, которое распадается
на окись и двуокись азота. Но азотистый ангидрид рас-
падается не до конца: между тремя газообразными веще-
ствами устанавливается равновесие, при котором остается
10,5 процента нераспавшейся трехокиси азота.
Если при комнатной температуре повышать давление,
доля нераспайшихся молекул азотистого ангидрида будет
постепенно расти и, наконец, при достаточно большом
давлении в системе останется очень, мало продуктов рас-
пада. Азотистый ангидрид становится стабильным также
и при понижении температуры. Если при атмосферном
давлении понизить температуру до —21°, то он перейдет
в жидкость темно-синего цвета, которая затвердевает при
температуре —103°.
Азотный ангидрид (N2O5) может быть получен окис-
лением двух молекул окиси азота или выделением одной
молекулы воды из двух молекул азотной кислоты при
помощи фосфорного ангидрида. Азотный ангидрид имеет
необычно высокую для газообразных веществ температуру
сжижения. В газообразном состоянии азотный ангидрид
2 В. И. Медведевский	л?
существует только при температуре выше 45—50°. Ниже
этой температуры он сжижается, а при 30° затвердевает,
образуя бесцветные кристаллы.
Изотопы азота
Слово «изотоп» означает «занимающий одно и то же
место». Все изотопы одного и того же элемента располага-
ются в периодической системе Менделеева в одной клет-
ке. В ядрах атомов изотопов находится одинаковое число
протонов, вокруг этих ядер вращается одинаковое число
электронов. Химические свойства изотопов одного и того
же элемента настолько близки, что отличить их почти
невозможно. Изотопы одного и того же элемента отли-
чаются друг от друга лишь атомным весом. Так как атом-
ный вес элемента зависит от числа протонов и нейтронов,
входящих в его ядро, а число протонов у изотопов одина-
ково, то изотопы отличаются между собой только количе-
ством нейтронов. У азота имеется три изотопа с атомным
весом 13, 14 и 15.
У азота с атомным весом 13 всего лишь 6 нейтронов,
а у азота с атомным весом 15 их насчитывается восемь.
Среди трех хорошо известных изотопов азота обычно;
го изотопа с атомным весом 14 (N14) содержится 99,62'
процента общего количества азота, встречающегося в при-
роде. Изотопа азота с атомным весом 15 (N15) —0,38
процента. Это два устойчивых изотопа азота, которые
всегда находятся вместе в постоянном процентном отно-
шении. Третий изотоп азота с атомным весом 13 (N13)
неустойчив и, претерпевая радиоактивное превращение,
легко распадается, излучая при этом большое количество
энергии.
Все радиоактивные превращения, происходящие в
элементах, являются результатом 'изменений, которые
протекают в ядрах их атомов, поэтому такие превраще-
ния называют также ядерными превращениями. Количе-
ство энергии, которое выделяется при радиоактивных пре-
вращениях, огромно.
Ученые считают, что солнечная энергия также выде-
ляется в результате ядерных превращений. Основной ядер-
ной реакцией, происходящей на солнце, является обра-
зование атомов гелия из атомов водорода.
18
Азот в этом превращении играет существенную роль,
так как все три его изотопа являются промежуточными
продуктами реакции.
Сначала из атомов углерода и водорода образуется
легкий изотоп азота N13. В результате излучения пози-
трона N3 переходит в тяжелый изотоп углерода С13. Этот
изотоп углерода со вторым атомом водорода дает обык-
новенный изотоп азота N14, образующий с третьим ато-
мом водорода легкий изотоп кислорода О15. Излучая
позитрон, легкий кислород О15 превращается в тяжелый
изотоп азота N15. Наконец, этот изотоп азота с четвертым
атомом водорода дает атом углерода С12 и атом гелия
Не4. В итоге из четырех грамм-атомов водорода обра-
зуется один грамматом гелия и выделяется 650 миллио-
нов больших калорий тепла (4Н -> Не4 + 650 миллионов
килокалорий).
Чтобы получить такое количество тепла, необходимо
сжечь 80 тонн угля.
Эти цифры показывают, каким огромным выделением
энергии сопровождаются ядерные реакции и какую неоце-
нимую службу они могут сослужить человечеству, если
использовать их в мирных целях.
Однако термоядерные реакции протекают лишь при
исключительно высоких температурах.
Так, например, для протекания реакции образования
гелия из тяжелых изотопов водорода нужна температура
порядка миллионов градусов. Такие температуры в зем-
ных условиях могут быть достигнуты, например, в усло-
виях взрыва атомной бомбы.
Регулировать процесс взрыва атомной бомбы, однако,
трудно, если не невозможно. Поэтому перед учеными все-
го мира стоит задача разработки новых методов дости-
жения высоких температур, достаточных для возбужде-
ния термоядерных реакций.
Выступление академика Курчатова во время пребы-
вания Советской правительственной делегации в Англии
в апреле 1956 года и его статья в «Правде» от 10 мая
1956 года показали, что в области работ над проблемой
управления термоядерными процессами советские ученые
опередили своих зарубежных коллег.
2*
АЗОТ В ПРИРОДЕ
Состав воздуха
Основную массу воздуха (78%)составляет азот.
Над каждым квадратным метром поверхности земли
находится около восьми тонн азота, а общее количество
свободного азота, находящегося над земной поверхностью,
равно 4 000 000 000 000 000 тонн (4 • 1015 т).
Состав воздуха по объему.
21% от общего объема воздуха падает на кислород.
Кроме азота и кислорода, в воздухе содержится дву-
окись углерода, или углекислый газ (СОг), и водород
(Н2), примерно по 0,3 кубического сантиметра в литре, а
также различные инертные газы. Аргона в воздухе содер-
20
жится немногим больше 0,9 процента. Всех остальных
инертных газов во много раз меньше.
Азот также иногда причисляют к инертным газам, но
его нельзя сравнивать с аргоном (Аг), неоном (Ne), ге-
лием (Не), криптоном (Кг), ксенонОхМ (Хе) или радоном
(Rn), для которых не выделено ни одного химического
соединения с другими элементами, встречающимися в
природе.
Химическая инертность и малое процентное содержа-
ние этих элементов в воздухе явились причиной того, что
эти газы долгое время не были открыты.
Как же отделить от азота и кислорода инертные газы,
которые в совокупности составляют меньше одного про-
цента объема воздуха?
Разделение воздуха на его составные части возможно
благодаря различию температур кипения сжиженных
газов. Если при атмосферном давлении охладить воздух
до температуры —270°, то все газы, входящие в его
состав, перейдут в жидкое состояние. Медленно по-
вышая температуру жидкого воздуха, можно заставить
его испариться, отбирая постепенно один газ за другим.
В первую очередь должен выделиться газ, имеющий
наиболее низкую температуру кипения,— гелий, он кипит
при температуре —269°, затем в газообразное состояние
перейдет водород, температура кипения которого равна
—252,7°, за ним испарится неон, кипящий при температу-
ре —246,3°. После них начнет выделяться азот, кипящий
при температуре—195,8°. Вслед за ним, когда темпера-
тура поднимется на 10°, закипит аргон. Кислород пока
останется в жидком состоянии, так как его температура
кипения равна—183°. После того как кислород перейдет
в газообразное состояние, при температуре— 156,6° нач-
нет выделяться криптон, и последним, при температуре
—111,8° испарится ксенон. На дне сосуда останется не-
большое количество белого снегообразного вещества. Это
затвердевшая двуокись углерода, температура плавления
которой —97,6°, а температура кипения —78,5°.
Плотность у поверхности земли больше, чем вдали от
нее. Так, например, на расстоянии 10 километров от по-
верхности барометрическое давление воздуха в З’/г раза
меньше, чем на уровне моря, и вместо 760 миллиметров
ртутного столба составляет только 217 миллиметров.
21
Казалось бы, что чем дальше от поверхности земли,
тем меньше должно было бы оставаться в атмосфере тя-
желых газов и больше легких. Иными словами, можно
предположить, что с высотой изменяется и процентный
состав воздуха. Однако эти предположения, которые рань-
ше часто высказывались учеными, не оправдались.
Многочисленные исследования, проведенные за по-
следние годы, показали, что на больших высотах про-
центный состав воздуха не изменяется. Это было установ-
лено, в частности, при анализе проб воздуха, взятого при
помощи специальных ракет с 70-километровой высоты.
Азот в недрах земли
Двести миллионов квадратных километров поверх-
ности земли окружены плотным слоем воздуха однород-
ного химического состава. Азот при нормальном атмо-
сферном давлении и любой температуре воздуха, встре-
чающейся в природе, не вступает ни в какие химические
соединения с другими элементами, кроме лития. Казалось
бы, что при таких условиях трудно найти соли, содер-
жащие азот. Тем не менее в земной коре нередко встре-
чаются различные азотсодержащие соединения.
Как же образовались эти соединения? Существует
около 15 разнообразных гипотез, объясняющих образова-
ние и накопление азотнокислых солей в земной коре. По
одной из этих гипотез, в отдаленную геологическую эпоху,
когда наша земля представляла собой расплавленную
вязкую массу — «магму», в расплаве земли содержались
все химические вещества, встречающиеся в природе. Из
расплавленной массы с огромной силой вырывались пары
и газы, образуя вокруг нее горячую атмосферу. Высокая
температура раскаленной земли способствовала соедине-
нию азота с расплавленными металлами, в результате
чего образовались различные нитриды.
В раскаленной атмосфере азот сравнительно легко
вступал в соединение с газообразным кислородом, обра-
зуя сначала окись, а затем и двуокись азота.
Одновременно в жидкой магме происходило постепен-
ное распределение элементов и их соединений с азотом
и кислородом. Более тяжелые металлы и их соединения
собирались в глубине расплавленной массы, а более лег-
кие всплывали на ее поверхность.
22
Когда легкие металлы и их соединения, всплывшие
на поверхность, застыли, они образовали как бы скорлу-
пу вокруг раскаленной жидкой магмы. Этот огненно-жид-
кий расплав еще и сейчас временами вырывается наружу
во время вулканических извержений. Когда же верхний
слой земли затвердел, температура на ее поверхности
упала. В более позднюю геологическую эпоху охладилась
и атмосфера, потоки воды хлынули на землю, затопив ее
глубокие впадины. Двуокись азота, которая находилась в
атмосфере, соединилась с водой, образовались азотная и
азотистая кислоты, которые скопились в водоемах.
Это была эпоха проливных дождей и мощных грозо-
вых разрядов. В искрах часто блиставших молний азот
воздуха соединялся с кислородом, давал новые окислы
азота, которые в атмосфере, обильно насыщенной влагой,
также переходили в кислоту, оседающую на почву.
Просачиваясь в землю, кислоты взаимодействовали
с различными металлами и соединениями, образуя азотно-
кислые и азотистокислые соли, постепенно скоплявшиеся
в земной коре.
Долгое время не могли решить вопрос о том, сколько
кремния, алюминия, магния, кальция, натрия, калия, же-
леза, кислорода или азота находится в недрах земли и в
какой пропорции эти и другие химические элементы вхо-
дят в ее состав. Лишь в конце XIX века был найден путь,
позволяющий правильно оценить содержание различных
элементов в земле.
Постепенно возникла новая наука — геохимия, зада-
чей которой является изучение законов распределения,
перемещения и накопления отдельных химических эле-
ментов в земной коре. При современной геологической
технике земная кора'может быть исследована на глубину
16 километров.
Многолетний и упорный труд выдающихся совет-
ских геохимиков, академиков В. И. Вернадского и
А. Е. Ферсмана, привел к разработке общих законов
перемещения и скопления химических элементов в земле.
На основании исследований оказалось, что среди эле-
ментов, встречающихся в природе, первое место занимает
кислород, входящий в состав почти всех встречающихся
в природе соединений. Его насчитывается около 50 про-
центов общего веса земной коры. За кислородом идет
23
кремний, которого содержится примерно 26 процентов
веса верхнего слоя земли. За ним следуют алюминий,
составляющий 7,5 процента, железо —4,7, кальций —3,4,
магний и калий по 2,5 процента и натрий около 2 процен-
тов веса земной коры.
Перечисленные восемь элементов составляют основ-
ную массу верхнего слоя земли, и на их долю падает
более 98 процентов веса шестнадцатикмлометровой тол-
щи земли, доступной исследованию. Остальные элементы,
встречающиеся в природе, содержатся в недрах земли
в несоизмеримо меньших количествах, и их общий вес не
превышает двух процентов веса земной коры. Среди этих
элементов находится и азот, которого насчитывается всего
лишь 0,04 процента. Хотя эта величина и кажется чрез-
вычайно малой, однако абсолютные количества азота,
встречающиеся в земной коре в виде различных соедине-
ний, составляют миллиарды тонн.
К наиболее распространенным соединениям, содержа-
щим азот, относятся азотнокислые соли натрия, калия,
бария, стронция, кальция, магния и алюминия. В природе
главным образом распространена натриевая, или чилий-
ская, селитра (NaNO3). Менее часто, но в довольно боль-
ших количествах встречается калиевая, или индийская,
селитра (KNO3). Остальные азотнокислые соли отдельно
почти не встречаются и в большинстве случаев находят-
ся в смеси с натриевой или калиевой селитрами.
Селитра редко встречается в чистом виде. Когда гео-
логу попадает в руки кусок селитрусодержащей породы,
ему не всегда удается сразу определить ее состав. Поро-
да эта представляет собой кусок сцементированного песка,
глины, камня и других веществ. Цементирующим мате-
риалом служит азотнокислый натрий вместе с другими
растворимыми солями. Обычные растворимые примеси
к селитре: поваренная соль (NaCl), натриевая соль сер-
ной кислоты (Na2SO4), а также соли иодистоводородной
кислоты (KJ или NaJ).
Происхождение селитры
Если бы процесс образования селитры и накопления
азотнокислых солей завершился в описанные выше геоло-
гические эпохи, можно было бы ожадать более или менее
J24
равномерного распределения азотсодержащих соедине-
ний по всей земной поверхности. В природе же основные
залежи селитры сосредоточены только в нескольких ме-
стах земного шара. Больше всего их накопилось в стра-
нах с сухим и жарким климатом. В других странах
залежей селитры оказалось . значительно меньше и
в некоторых странах настолько мало, что они не имеют
никакого промышленного значения.
Образование и скопление селитры в природе со вре-
мени появления жизни на земле идет отчасти за счет хи-
мических процессов разложения органических остатков;
кроме того, селитра образуется биохимическим путем из
азота воздуха при помощи микроорганизмов, живущих в
почве,— азотобактерий. Как химические, так и биохими-
ческие процессы образования селитры особенно интенсив-
но идут в местах с жарким и сухим климатом. При этом
немаловажную роль играет и состав почвы. Если к тому
же районы с благоприятными климатическими и почвен-
ными условиями расположены в низинах, то во время дож-
дей туда стекают воды, приносящие с возвышенностей
растворенные соли. Такие места особенно богаты зале-
жами азотнокислых солей.
Впервые крупные месторождения калиевой селитры
были открыты в Индии. Скопления калиевой селитры были
обнаружены на равнинах северо-восточных и северо-запад-
ных районов страны. Районы эти известны своей высокой
среднегодовой температурой в 26—27° и длительными пе-
риодами (иногда по 7—8 месяцев подряд) отсутствия дож-
дей. Во время же дождей потоки вод стекают с окружаю-
щих возвышенностей и приносят с собой растворенные
соли. В течение веков климатические и географические
условия Индии способствовали скоплению селитры в стра-
не. В начале прошлого столетия калиевая селитра служила
основным сырьем для производства пороха. Спрос на ин-
дийскую селитру появился сразу же с открытием ее зале-
жей, и до середины прошлого века Индия являлась почти
единственным поставщиком селитры в Европу. Но недолго
продолжалась монополия Индии на поставку селитры в
другие страны. Уже в 1818 году в Перу — одной из южно-
американских стран — были обнаружены запасы селитры.
Особенно богатой оказалась ее южная провинция — Тара-
пака. Однако разработка этих богатых месторождений
25
селитры развилась -не сразу. Отсутствие дорог через гор
ный хребет, отделяющий месторождения селитры от пор-
тов западного побережья страны, явилось крупным пре-
пятствием к добыче и вывозу селитры из Перу. Кроме того,
из-за отсутствия растительности и питьевой воды хребет
этот был трудно проходим даже для вьючных животных.
Тем не менее ничто не могло остановить колонизаторов,
жаждущих обогатиться на эксплуатации природных бо-
гатств Перу. После того как в 1823 году генералом Боли-
варом были изгнаны из Перу испанцы, в страну начал
проникать английский капитал. Предприимчивые дельцы,
почуяв добычу, жестоко эксплуатировали местное населе-
ние; разрабатывая селитряную руду, они переправляли
ее через горы в порт на вьючных животных. На пути кара-
ванов встречались многочисленные трупы животных, сви-
детельствовавшие о трудностях перевалки. Наконец в
1829 году первые два парохода, нагруженные селитрой,
отбыли от берегов Перу. Но предпринимателей ожидало
разочарование. Селитра не нашла себе сбыта. Потреби-
тели в Америке, в Англии и во Франции отказались от ее
покупки. Груз пришлось сбросить в море.
Не из-за высокой стоимости натриевая селитра не
нашла себе покупателей, а вследствие свойства поглощать
влагу. Чистая индийская, или калиевая, селитра, как пра-
вило, шла в производство пороха без какой-либо предва-
рительной переработки. Необработанная натриевая селит-
ра, вывезенная из Перу, сильно поглощала влагу, то есть
обладала большой гигроскопичностью, и изготовленный из
нее порох- быстро сырел и становился непригодным к
употреблению. Для того чтобы использовать чилийскую
селитру в производстве пороха, ее нужно было перерабо-
тать в калиевую соль. В то время такая переработка
селитры представляла значительные трудности и предпри-
ниматели предпочитали этим не заниматься.
Но жизнь заставила их скоро изменить свои решения.
Все возрастающий спрос на азотнокислые соли и ограни-
ченная возможность Индии в поставках калиевой селитры
вынудили промышленников перейти на использование
натриевой селитры, добыча и вывоз которой из Перу стали
быстро расти.
В середине прошлого столетия в другой южноамери-
канской стране — Чили были также открыты богатые за-
26
лежи селитры. Как и в Перу, из-за бездорожья транспор-
тировка селитры от ее месторождения до близлежащего
порта представляла огромные трудности. В начале 60-х го-
дов прошлого века в Чили начали строить железную
дорогу. Добыча руды и вывоз ее из страны с каждым го-
дом увеличивались. Выросли и аппетиты у промышленни-
ков. Между Чили и ее северными соседями Перу и Боли-
вией началась война за обладание богатыми источниками
азотнокислых солей. «Селитряная» война продолжалась с
1879 по 1881 год. Победителем из нее вышла технически
относительно более передовая страна Чили. К ней перешла
богатая селитрой провинция Тарапака. Чили стала почти
единственным мировым источником селитры.
Основные залежи чилийской селитры находятся на
огромном плато, возвышающемся на 1000—1500 метров
над уровнем моря. Плато это расположено между глав-
ной цепью Кордильерских гор и их прибрежными греб-
нями.
Залежи чилийской селитры располагаются слоями
небольшой толщины, неглубоко под землей. Сверху слои
покрыты пустой породой. Обычно толщина слоя селитря-
ной породы не превышает полутора метров, а содержание
азотнокислого натрия в ней колеблется в среднем от 15 до
50 процентов. Общий запас чилийской селитры исчисляет-
ся приблизительно в 8 миллиардов тонн. Чилийское место-
рождение селитры оказалось самым мощным месторож-
дением в мире.
Крупные ученые различных стран с огромным интере-
сом взялись за изучение вопроса о происхождении чилий-
ской селитры. Некоторые из них предполагают, что источ-
ником богатых залежей,чилийской селитры являются ог-
ромные скопления в этих местах гуано — помета морских
птиц.
Гуано как азотсодержащее вещество под воздействием
особых бактерий разлагается с образованием аммиака, в
дальнейшем другими бактериями аммиак переводится в
азотную или азотистую кислоту/ В присутствии поварен-
ной соли (NaCl) или соды (Na2COs) процесс завершается
образованием селитры.
Но не все ученые согласны с этим предположением.
Существенным возражением против этого служит отсут-
ствие в селитрусодержащей руде фосфатов, которых в гуа-
27
но содержится в среднем до 15 процентов. В самом деле,
ес/ и бы залежи чилийской селитры образовались от поме-
та птиц, который накапливался веками на защищенных
от ветров плато, то селитряная руда не только содер-
жала бы до 15 процентов фосфатов, но и не содержала
бы иода, который находится в руде в количестве от 3 до
4 процентов.
Наличие иода в чилийской селитре привело другую
группу ученых к выводу, что источником.залежей явились
огромные скопления водорослей, которые постепенно раз-
лагались при помощи бактерий с образованием азотно-
кислых солей.
Эти предположения ученые обосновывают тем, что в
весьма отдаленную эпоху .западное побережье Южной
Америки было покрыто водой. Постоянные ветры и мор-
ские течения заносили в межгорную ложбину, служащую
в то время дном моря, большое количество водорослей и
других морских растений. Впоследствии море отступило
и скопившиеся в ложбине на огромной территории водо-
росли под воздействием солнца, бактерий и морских солей
разрушились. Азот, содержащийся в водорослях, превра-
тился в селитру, которая впитала в себя иод из растений.
Существует и третье предположение о происхождении
селитры в Чили. Наличие большого количества потухших
и действующих вулканов вокруг месторождений селитры
навело ученых на мысль о том, что чилийская селитра яв;
ляется продуктом вулканической деятельности и что она
образовалась из азотсодержащих веществ, выбрасывае-
мых вулканами во время извержений.
Имеются и другие гипотезы относительно происхожде-
ния селитры в Чили, но ни одна из них, вероятно, не мо-
жет претендовать на полное объяснение процесса образо-
вания селитры. Скорее всего образование чилийской селит-
ры произошло благодаря удачному сочетанию различных
процессов, протекающих в природе, в том числе и пере-
численных выше.
Районы залежей чилийской селитры отличаются исклю-
чительно сухим и жарким климатом. В этой райнине не
редки случаи, когда в течение 4—5 лет не выпадает ни
одного дождя.
Залежи селитры можно встретить и в других странах
с жарким и сухим климатом. Они встречаются в Калифор-
28
нии, в Сахаре и на острове Цейлон, но по своей мощности
эти месторождения не могут сравниться с чилийским.
В России наиболее крупные залежи селитры были от-
крыты в пустынях Средней Азии в конце прошлого века.
Некоторые из этих месторождений отличались большими
запасами и высоким содержанием селитры.
Впоследствии залежи селитры были найдены на Па-
мире и в районах Казахстана.
Природные месторождения селитры в Средней Азии
представляют собой невысокие холмы, в которых селитра
сосредоточена в поверхностных слоях. Предполагают, что
холмы эти являются остатками древних городищ, где раз-
мещались в пределах небольших крепостей жители со
своим домашним скотом.
Скопление селитры вблизи поверхности бугров объяс-
няется тем, что благодаря жаркому и сухому климату,
преобладающему в районах Средней Азии, верхние слои
почвы быстро высыхают. Высохшая земля, как фитиль,
всасывает в себя влагу с растворенными солями из низ-
лежащих слоев почвы. Соли постепенно скапливаются на
поверхности. При исследовании месторождений селит-
ры на буграх установлено, что на глубине 10 сантиметров
содержание селитры в почве резко уменьшается, а на глу-
бине одного метра ее практически совершенно нет.
Месторождения селитры курганного типа и скопления
ее в пустынных и степных местах встречаются в Совет-
ском Союзе в различных районах Туркменской, Узбекской,
Таджикской и Киргизской республик, а также в Казах-
стане.
В горной местности селитра встречается главным об-
разом в пещерах и нишах, где она образовалась за счет
разложения животных отбросов. Полагают, что пещеры
эти в свое время являлись убежищем для кочевых племен
и стойбищами для домашних животных. Кроме того, в пе-
щерах часто скоплялись олени и другие животные.
Селитра пещерного типа могла образоваться и от раз-
ложения погибших животных: грызунов, птиц, летучих
мышей.
В Советском Союзе залежи природной селитры горно-
пещерного типа встречаются на Алтае, в горах Кавказа,
Крыма, Средней Азии и Сибири. Некоторые из этих ме-
сторождений имеют промышленное значение.
29
Из истории применения естественных и искусственных
удобрений
Археологическими раскопками установлено, что уже
в первый период истории человечества, который принято
называть каменным веком, люди выращивали зерна хлеб-
ных растений. Выяснено также, что за 4000 лет до нашей
эры египтяне занимались растениеводством и выращивали
не только хлебные злаки, но плоды и овощи.
Вода первая пришла на помощь земледельцу. Возник-
ли древние оросительные системы. С ними увидели свет
новые культуры и стали применяться более совершенные
приемы их возделывания. Постепенно в сельском хозяйст-
ве начали применять различные виды удобрений.
Так шло развитие земледелия в разных странах, и к
началу нашей эры римлянам уже было известно, что не
только навоз, но и некоторые минеральные вещества, та-
кие как зола, гипс, известь и другие, способствуют уси-
ленному росту растений.
В то время еще никто не мог объяснить, почему на
склонах Везувия без каких бы то ни было удобрений, уро-
жаи значительно выше, чем на склонах гор невулканиче-
ского происхождения.
На вопрос, что дают удобрения, почему урожаи на удо-
бренных почвах лучше, чем на неудобренных, отвечали
в то время туманно и неясно: «Землю надо досыта накор-
мить, и она восстановит свои силы», «голодная земля
может откормиться на сытной еде и стать жирной». О «ма-
тери-земле» говорили, как о человеке или животном. Как
человеку или животному нужна пища, так и земле необ-
ходима «еда» — удобрение. Но какое именно удобрение
нужно, никто не знал. Некоторые в качестве удобрения
предпочитали птичий помет. Другие видели больше поль-
зы от навоза животных. Третьи считали целесообразным
удобрять почву людскими нечистотами или в смеси с на-
возом животных, а четвертые — компостом, представляю-
щим собой однообразную массу перегноя различных жи-
вотных и растительных отбросов. Каждый доказывал
преимущество одного вида удобрения перед другим и от-
стаивал свою точку зрения, ссылаясь на практические
результаты. Споры развивались и вокруг способов обра-
ботки и хранения удобрений, способов и сроков вывоза
30
их в поле и распределения в почве. Но 'наиболее крупные
разногласия возникли о пользе зеленых удобрений.
Наблюдательные землепашцы обратили внимание на
то, что некоторые бобовые растения способны удобрять
почву. Они заметили, что на землях, на которых ранее про-
израстали такие бобовые растения, как люпин, вика, полу-
чаются более высокие урожаи.
Этим вопросом заинтересовались ученые. Но среди них
не было согласия по вопросу о том, какие из бобовых ра-
стений способны удобрять почву. Одна группа ученых счи-
тала, что только люпин обладает достаточной «силой»
удобрять почву. Другая группа приписывала это свойство
многим бобовым. Но были и такие ученые, которые счи-
тали, что стручковые никакой пользы злаковым растениям
не приносят и что лучше всего злаковые сеять на таких
землях, где до них ничего не произрастало.
Впоследствии о зеленых удобрениях стали упоминать
все реже и реже. Многое из того, что было прогрессивного
и разумного в сельском хозяйстве первого века до нашей
эры, было затеряно и забыто и не применялось многие
века.
Сочинения по сельскому хозяйству, появившиеся в VIII
и последующих веках, лишь повторяли то, что было изло-
жено в свое время у древних ученых. Только в XVI веке
начинают появляться труды, которые впервые более или
менее правильно объясняют значение удобрений, вноси-
мых в почву.
По мнению крупного французского естествоиспытателя,
знаменитого керамиста и живописца по стеклу Бернара
Палисси, основа жизни и роста растений — соль. Под сло-
вом «соль» он подразумевал минеральные соединения,
необходимые растениям. Если несколько лет подряд засе-
вать почву без удобрений, говорил Палисси, растения вы-
сосут все соли из земли, она обеднеет и перестанет давать
урожаи. Для того чтобы снова сделать землю хлебород-
ной, ей нужно дать отдохнуть несколько лет или удобрить
ее. Отдыхающая земля, по его -мнению, приобретет свою
соленость от дождей и рос, а удобренная — от навоза, в
котором находятся все соли, нужные земле. Утверждение
это Палисси основывал на том простом логическом вы-
воде, что если бы навоз не содержал нужных растениям
солей, удобрять им почву не имело бы смысла.
31
Это, пожалуй, первое правильное представление о поч-
ве как об источнике минеральных веществ для растений.
Но Палисси, как и многие другие ученые того времени, не
смог обосновать свои предположения.
Еще триста лет понадобилось человечеству для того,
чтобы точными опытами установить необходимость возвра-
та почве тех питательных веществ, которые уносятся из
нее растениями.
Большинству современников Палисси его работы
остались неизвестными, не знали о них и ученые следую-
ющих столетий.
Когда в 1800 году Берлинская Академия наук подняла
вопрос о происхождении неорганических составных частей
растений, один из ученых, Шрадер, заявил, что растения
не нуждаются в обеспечении их зольными веществами, так
как они сами в процессе своей жизни вырабатывают их.
Это представление оказалось ошибочным и являлось про-
дуктом небрежности в эксперименте. Шрадер ставил опы-
ты с различными семенами и нашел, что в их проростках
содержится в четыре раза больше золы, чем в семенах.
На основании этого наблюдения он сделал свой вывод, о
котором и доложил на заседании ученых Академии наук.
Как выяснилось впоследствии, причина его ошибки заклю-
чалась в том, что вода и среда, которые он взял для про-
ращивания семян, были «загрязнены» минеральными со-
единениями.
Вопрос о том, что необходимо растениям для их роста
и развития, с особой силой возник в середине XIX столе-
тия. И снова, как и 300 лет назад, первым поднял этот во-
прос не агроном, не земледелец, а ученый естествоиспы-
татель, известный химик Юстус Либих. Никогда не зани-
маясь сельским хозяйством, Либих много внимания уделял
химическим вопросам, связанным с жизнедеятельностью
организмов животных и растений. Его теоретические ис-
следования привели в 1840 году к появлению в свет тру-
да под названием «Химия в приложении к земледелию и
физиологии».
О чем писал Либих в своей книге? О самом насущном
в то время вопросе, о том, как улучшить плодородие
почвы.
Почти все свободные площади в Европе к тому време-
ни были уже использованы под пашню, а потребность в
32
сельскохозяйственных продуктах с увеличением населе-
ния все больше и больше росла. Истощенная земля с каж-
дым годом снижала урожаи и не могла удовлетворить
спроса на хлеб. Необходимо было как можно скорее найти
средство для повышения плодородия почвы. На это сред-
ство и пытался указать Либих в своем труде. К решению
столь сложной и насущной задачи Либих подошел путем
обобщения известных фактов. Например, было известно,
что озимая рожь извлекает с одного гектара земли около
40 килограммов фосфорной кислоты, 75 килограммов ка-
лия, кроме того, растение поглощает из земли и другие
минеральные вещества, которые легко обнаружить в золе
сожженного растения. Но поглощаются минеральные ве-
щества различными растениями по-разному. Горох, напри-
мер, берет из почвы преимущественно известь, злаковые
всасывают в основном кремнекислоту, другие растения за-
бирают много калия. Все эти вещества, писал Либих, необ-
ходимо полностью вернуть земле, если земледельцы хотят
регулярно получать хорошие урожаи.
Земля постепенно истощается, говорил Либих, чередо-
вание в посеве культур, то есть засевание земли поочеред-
но разными растениями, каждое из которых обедняет
почву больше всего одним каким-нибудь минеральным ве-
ществом, не может приостановить истощение почвы, а
только отдаляет его. Без применения минеральных удоб-
рений человечеству грозит голод.
Агрономы не сразу согласились с Либихом; они счи-
тали, что, удобряя землю навозом, они дают растениям
все, что им необходимо, так как углерод, являющийся
главной составной частью растения, в изобилии находит-
ся в навозе.
Либих настойчиво продолжал пропагандировать свое
открытие. Он не возражал против удобрения почвы на-
возом, он даже считал его полезным, но лишь постольку,
поскольку в навозе содержатся минеральные вещества.
Что же касается углерода, то, по мнению Либиха, челове-
ку незачем заботиться о доставлении его растениям, так
как растения получают углерод из воздуха. Растения, го-
ворил он, необходимо обеспечить минеральными солями,
которые они не могут получить в достаточных количествах
из окружающей среды. Минеральные удобрения Либих
предлагал производить на химических заводах.
3 В. И. Медведовскнй	эо
Приготовив в лаборатории с помощью своих учеников
некоторые минеральные вещества, Либих применил их как
удобрение на песчано-м пустыре, который считался непри-
годным для земледелия. Засеяв его, он получил богатый
урожай. Ученый торжествовал. Агрономы, удивленные
превращением бесплодного клочка земли в плодородный
участок, не прочь были и сами использовать такие же удо-
брения. Предприимчивые фабриканты начали налаживать
производства минеральных удобрений. Земледельцы охот-
но покупали их и применяли на своих полях.
Прошло несколько лет. Разочарование наступило
совершенно неожиданно. Из разных концов страны стали
поступать сообщения, что «придуманные» Либихом удоб-
рения не только перестали приносить пользу, а даже при-
носят вред. Поля, которые несколько лет удобряли мине-
ральными солями, дают значительно меньшие урожаи,
чем поля, удобряемые навозом. Противники Либиха снова
начали доказывать, что все дело в углероде и что без на-
воза, в котором он содержится, растения существовать не
могут.
Если бы в навозе, говорили они, самым ценным для
растения являлась только его зольная часть, то почву удо-
бряли бы не навозом, а его золой. Это избавило бы земле-
дельцев от необходимости тратить огромные силы на хра-
нение и вывоз навоза в поле.
Агрономы были неправы. Ценность навоза заключа-
лась вовсе не в том, что в нем содержится углерод. Одно-
временно был неправ и Либих. Главная ошибка Либиха
заключалась в том, что он механически подошел к изуче-
нию растений. Либих считал истощение почвы естествен-
ным законом природы и что рано или поздно растения ис-
черпают из земли весь запас минеральных солей. Един-
ственным средством для предотвращения катастрофы, по
его мнению, являлось возвращение земле унесенных расте-
ниями минеральных солей и в первую очередь фосфора.
В действительности же, как указывал Маркс, говоря об
основных противоречиях в учении Либиха, «неминуемое»
истощение почвы свойственно лишь капиталистической
системе хозяйства, где стремление к наживе ведет к вар-
варскому способу земледелия. В условиях же социалисти-
ческого земледелия появляется возможность планомерного
применения всех агрономических достижений науки и тех-
34
ники, что должно привести к непрерывному повышению
плодородия почвы.
Слова Маркса блестяще оправдались на практике ве-
дения сельского хозяйства в СССР и странах народной де-
мократии.
У Либиха была и другая ошибка, вскрыть которую по-
мог известный французский ученый Жан Батист Буссенго.
Свою ученую карьеру Буссенго начал не совсем обыч-
но. В 1822 году, окончив высшую горную школу, 20-лет-
ним юношей он устремился в Южную Америку, где рас-
считывал применить свои знания в качестве горного ин-
женера.
Народы Южной Америки в то время восстали против
своих испанских угнетателей, и молодого инженера встре-
тила не тишина горных высот и ущелий, а грохот артил-
лерийской стрельбы. Одним из отрядов, участвовавших в
освободительной борьбе, руководил прославленный гене-
рал Боливар, в честь которого была названа одна из рес-
публик Южной Америки — Боливия. К Боливару и попал
Буссенго. Вместо должности горного инженера Боливар
мог предложить молодому " ученому только должность
офицера. Не задумываясь. Буссенго принял это предло-
жение и в течение шести лет сражался в отрядах освобо-
дителей. Однако эти шесть лет для Буссенго как ученого
не прошли даром. Малоисследованная тропическая стра-
на привлекла'пытливый ум молодого натуралиста. В усло-
виях походной жизни он занимался детальным изучением
растительности на больших высотах, достигающих
5500 метров над уровнем моря. В тот же период Буссенго
изучил состав извергаемых вулканами газов и исследовал
залежи селитры в Чилй.
Лабораториями служили Буссенго пещеры и кратеры
потухших вулканов. Результаты его трудов все чаще и
чаще стали появляться на страницах европейских журна-
лов, куда он систематически посылал свои отчеты. Возвра-
тился Буссенго уже знаменитым ученым с большим запа-
сом знаний и еще большим запасом научных наблюдений,
требующих многолетней обработки.
Как раз в это время Либих потерпел свои первые не-
удачи с применением минеральных удобрений. Агрономы
вновь вернулись к испытанному способу удобрения почвы
навозом, продолжая считать его источником углерода.
Буссенго не мог согласиться с этим, так как его пред-
варительные опыты показали, что растения получают угле-
род не от перегноя, а из воздуха, как и предполагал Ли-
бих. Усовершенствовав методы исследования, Буссенго на-
учился определять ничтожные доли процента углекислого
газа в воздухе, что позволило ему поставить окончатель-
ный опыт.
Взяв большой стеклянный колпак с краном для отбора
проб, он поместил под него растение, предварительно оп-
ределив содержание углекислого газа в воздухе под кол-
паком. Регулярно, два раза в сутки, Буссенго брал неболь-
шие порции воздуха из-под колпака и анализировал их.
Содержание углекислого газа в воздухе постепенно па-
дало.
Результатами работы Буссенго поделился со своим
близким другом, физиком Реньо. Изменения в содержании
углекислого газа были настолько незначительными, что
Реньо усомнился в точности проводимых Буссенго опытов
и посоветовал ему продолжать их. Все шло благополучно,
но вдруг, совершенно неожиданно, в одной из очередных
проб, содержание углекислого газа увеличилось. Буссенго
был озадачен. Опечаленный он пришел к своему другу и
рассказал ему о случившемся. Вместо сочувствия он встре-
тил на лице своего друга насмешливую улыбку. Реньо
признался, что, желая проверить точность методики иссле-
дования, он тайком немного подышал в колпак, увеличив
тем самым в нем содержание углекислого газа.
Опыты Буссенго окончательно показали, что растения
черпают необходимый им углерод не из перегноя, а из воз-
духа. В этом Либих был прав.
В чем же была ошибка Либиха? Он забыл об азоте.
Он не учел, что азот совершенно необходим растениям.
А в тех патентованных удобрениях, которые Либих так
настойчиво рекомендовал агрономам, азот отсутствовал.
Но Буссенго уже знал, что растениям необходим азот.
Еще будучи в Южной Америке, он заметил, что жители пе-
руанского побережья собирают птичий помет, высушивают
его, растирают в порошок и посыпают им землю. На этих
полях они получают богатые урожаи кукурузы. Буссенго
заинтересовался этим явлением. Он на месте проанализи-
ровал химический состав сухого птичьего помета — гуано
и нашел, что в нем содержится большое количество азот-
36
ных соединений. Это они обогащают почву и увеличивают
урожай,— решил Буссенго. Растениям, очевидно, нужен
азот и когда его в почве много, они пышно растут. Вер-
нувшись на родину, Буссенго занялся детальным исследо-
ванием различных растений и нашел, что азот входит в
состав всех без исключения растений. Так Буссенго при-
шел к выводу, что удобрения должны содержать азот
и чем удобрение богаче азотом, тем оно полезнее для рас-
тения.
Либих не соглашался с выводом Буссенго. Зачем, ду-
мал он, вводить в почву азот, когда данные по анализу
почвы показывают, что его там и так достаточно. В то вре-
мя уже было известно, что в верхних слоях почвы находит-
ся большое количество соединений, содержащих азот. Но
немногие знали, что они бесполезны для растений, так
как это в большинстве своем сложные органические сое-
динения, которые растениями не усваиваются. Растениям
необходимы такие соединения, которые легко растворяют-
ся в воде. К ним относятся главным образом неорганиче-
ские соединения азота в виде азотнокислых или аммиач-
ных солей. Их-то как раз в почве очень мало. Содержание
азота в неорганических соединениях не превышает одного
процента общего запаса азота в почве.
Оставалось, однако, непонятно, почему растения не мо-
гут брать нужный им азот из воздуха, в котором он на-
ходится в неисчерпаемых количествах. Эта проблема вол-
новала Буссенго и многих его современников. На помощь
Буссенго пришло его умение «разговаривать» с расте-
ниями. Кто лучше, чем само растение, думал он, может от-
ветить на вопрос, что ему необходимо. Буссенго ставит
целый ряд опытов.
Опыты эти известны под названием «метода песчаных
культур». Они заключаются в том, что растения высажива-
ют в хорошо промытый и прокаленный песок. Для разви-
тия растения в песок добавляют различные питательные
вещества. Если параллельно поставить несколько опытов
и вносить в горшочки с песком строго определенные коли-
чества вещества, то можно выяснить, какие питательные
вещества и в каких количествах необходимы растению для
его жизни и развития.
Растения, посаженные в горшочки с азотным удобре-
нием, пышно росли, в то время как растения, поставлен-
37
ные в одинаковые условия, но посаженные в песок без
азотного удобрения, как правило, вырастали хилыми и
чахлыми. Так был получен однозначный ответ на вопрос,
Растения, подкормленные
усвояемым азотом, пышно
росли (I), а без азотных
удобрений чахли (II).
нужен ли растению азот в виде
минеральных солей или оно
может довольствоваться азотом
из воздуха.
Однако результатами своих
экспериментов Буссенго остал-
ся недоволен. ГТо его предполо-
жениям, азот в природе должен
совершать постоянный круго-
ворот. Но круговорот азота в
природе может иметь место
только при условии, если азот
воздуха будет поглощаться ра-
стениями.
Опыты Буссенго противоре-
чили его теоретическим пред-
ставлениям. Буссенго не мог по-
нять, где лежит ошибка — в по-
становке опыта или в его тео-
ретических выводах.
Над этим же вопросом ра-
ботали и многие другие ученые.
Казалось даже, что одному из
них удалось найти правильное
решение. Это был профессор
Жорж Билль. Он поставил опы-
ты по выращиванию растений
в почве, не содержащей мине-
ральных соединений азота, но
результаты его опытов были
противоположны результатам,
полученным Буссенго. Растения
у профессора Билля прекрасно
развирались.
Буссенго был чрезвычайно
озадачен. Неприятности увели-
чились, когда комиссия, назна-
ченная Парижской Академией наук, повторила опыты
профессора Билля и подтвердила его результаты.
38
Сторонники и ученики Буссенго продолжали исследо-
вать вопрос об использовании азота воздуха растениями,
который несмотря на авторитетный вывод академической
комиссии они считали нерешенным. И всякий раз, когда
опыты ставились с тщательно промытым и прокаленным
песком, результаты оставались прежними — растения не
развивались.
Двум английским ученым Лоозу и Гильеру удалось, с
одной стороны, подтвердить опыты Буссенго, а с другой —
как бы подтвердить результаты опытов Жоржа Билля.
В большинстве случаев растения не поглощали азота из
воздуха. Но в некоторых случаях клевер, люцерна и горох
нормально развивались и при отсутствии в почве мине-
ральных азотных соединений. Плоды и стебли этих расте-
ний содержали обычное количество азота, хотя кроме
азота воздуха,( никакого другого источника его не было.
Было решено, что только некоторые бобовые растения
способны поглощать азот и? воздуха. Но оставалось неяс-
ным, почему развивались злаковые растения, над кото-
рыми работал Жорж Билль и французские академики.
Получив предложение выяснить способность растений
питаться азотом воздуха, комиссия из шести академиков
с интересом принялась за дело. Непосредственное наблю-
дение за контрольными опытами было поручено химику
Клоезу. Вскоре Клоезу понадобилось уехать из Парижа и
наблюдение за растениями перешло к его помощнику. От-
лучаясь из лаборатории, помощник- Клоеза строго-настро-
го наказывал сторожу поливать контрольные растения
только дистиллированной водой. Сторож не нарушил при-
каза. В определенное время он поливал растения только
из указанной бутыли. Но рядом с этой бутылью выпа-
ривался какой-то аммиачный раствор. «Дистиллирован-
ная» вода постепенно поглощала пары аммиака и в ре-
зультате была насыщена ими настолько, что его с избыт-
ком хватило для всех контрольных растений. Ошибка эта
выяснилась сравнительно скоро, но почему бобовые расте-
ния в некоторых случаях поглощают азот воздуха, для
Буссенго оталось неясным до конца его жизни.
Решить эту задачу помог русский ученый ботаник
М. С. Воронин. После того как было замечено, что некото-
рые бобовые и мотыльковые растения используют азот
воздуха, ученые заинтересовались этими растениями. Ока-
39
залось, что корни этих растений имеют небольшие уродли-
вые утолщения — клубеньки. На эти клубеньки обратили
внимание не сразу. Никто и не предполагал, что они
•могут играть какую-либо роль в питании растений
азотом.
Азотфиксирующие бактерии
В 1865 году русский ботаник М. С. Воронин, исследуя
клубеньки бобовых растений, нашел, что они образуются
благодаря микроорганизмам, которые находятся в почве.
Спустя 21 год немецкий агрохимик Г. Гельригель доказал,
что при помощи этих бактерий бобовые растения усваи-
вают азот воздуха.
Как же это происходит? Вопрос о механизме фиксации
растениями молекулярного азота воздуха до сих пор еще
окончательно не выяснен. Однако известно, что клубень-
ковые бактерии, попадая через корневой волосок в корень
бобового растения, проникают во внутренние его покровы.
Под воздействием бактерий клетки корня начинают уси-
ленно делиться на множество мелких клеток. Вскоре мел-
кие клетки укрепляются и начинают неравномерно разви-
ваться. Это приводит к тому, что на корне растения появ-
ляется бесформенный, уродливый нарост в виде клубня.
Вначале, когда бактерии проникают в корень растения,
оно как бы заболевает, рост его замедляется. Это объяс-
няется тем, что для своего существования бактерии заби-
рают у растения часть питательных веществ. Через корот-
кое время зараженное бактериями бобовое растение оп-
равляется, наступает длительное, «мирное» и тесное сожи-
тельство растения с бактериями.
Бактерии забирают у растения пищу в виде углероди-
стых и минеральных соединений, а погибая, оставляют ему
азот, который они черпают из проникшего в почву возду-
ха, перерабатывая его в форму, усваиваемую растениями.
Такое мирное сожительство бактерий с растениями ве-
ликий русский ученый К. А. Тимирязев охарактеризовал
как своеобразную борьбу, из которой обе стороны пооче-
редно выходят победителями. «Бактерии,— писал он,—
просуществовав некоторое время в растении и пользуясь
его пищей, возвращаются обратно в почву и, конечно, в
40
большем числе, чем сколько их проникло в корни... Но они
оставляют за собой еще более многочисленные трупы своих
отяжелевших товарищей, которые идут на питание одоле-
вающего их растения».
Для того чтобы бобовые растения могли питаться ат-
мосферным азотом, в почве, в которой они произрастают,
должны находиться азотфиксирующие бактерии.
Отсюда понятно, почему бобовые растения не всегда
развивались за счет атмосферного азота. Когда опыты
ставились с тщательно промытым и прокаленным песком,
в котором были уничтожены все бактерии, исключалась
всякая возможность нормального роста и развития даже
такого растения, как люцерна, которая в благоприятных
естественных условиях на одном гектаре почвы поглощает
до 300 килограммов атмосферного азота. Примерно столь-
ко же азота черпают из находящегося в почве воздуха
клевер, люпин и другие бобовые растения.
В среднем «азотсобиратели» способны на одном гек-
таре связать от 100 до 400 килограммов атмосферного
азота. Но не весь связанный ими азот уходит из почвы в
наземные части растения. Примерно 25 процентов свя-
занного азота остается в почве с корневой системой. Этим
объясняется тот факт, что в тех районах, где имеются бла-
гоприятные почвенно-климатические условия, урожаи
злаковых культур, посеянных на площадях, на которых до
этого произрастали бобовые растения, значительно выше,
чем на участках, где бобовые не произрастали.
Вскоре после открытия клубеньковых бактерий в почве
были обнаружены свободноживущие бактерии, которые
также способны фиксировать азот воздуха и переводить
его в соединения, усваиваемые растениями.
Этот вид бактерий — азотобактер — был выделен в
1901 году голландским микробиологом Бейериком. Азото-
бактер для своего развития требует много воздуха, поэто-
му он хорошо развивается на вспаханной земле и почти
отсутствует в целине. Другим условием развития этих бак-
терий является наличие в почве достаточного количества
минеральных солей и органических веществ. Свободножи-
вущие азотобактерии усваивают в среднем на одном гек-
таре до 30 килограммов азота в год.
Почти одновременно с открытием азотобактера были
обнаружены бактерии, способные переводить недоступный
44
растениям азот, содержащийся в органических веще-
ствах, в усваиваемый растениями аммиак и его соли.
Превращение азота органических соединений в неор-
ганические соли проходит через ряд сложных стадий. Про-
цесс этот в настоящее время достаточно хорошо изучен и
известен под названием «аммонификациях
Бактерии, способные переводить органические соеди-
нения азота в неорганические, для своего существования
и развития сами нуждаются в углероде и азоте. Но потреб-
ляют они эти два элемента не в одинаковых количествах.
На каждые 25 частей углерода им требуется только одна
часть азота.
Если в органическом веществе, которое подвергается
разложению этими бактериями, на каждые 25 частей угле-
рода приходится больше одной части азота, то избыток
его высвобождается в виде аммиака. Если же азота
меньше, то, наоборот, бактерии для своего развития по-
глощают его из почвы, тем самым обедняют ее минераль-
ным азотом, что приводит к понижению урожайности.
Фиксация азота клубеньковыми бактериями и азото-
бактером, а также аммонификация имеют важное значе-
ние для сельского хозяйства. Этими процессами не исчер-
пываются, однако, все возможности обогащения почвы
минеральным азотом.
В 1887 году выдающемуся русскому микробиологу
С. Н. Виноградскому удалось открыть и выделить из поч-
вы новую группу бактерий, способных окислять аммиак и
его соли в азотную кислоту.
Процесс этот был назван нитрификацией. Оказалось,
что окисление аммиака и его солей осуществляется в две
стадии. Сначала окисление идет до азотистой кислоты при
помощи так называемых нитритных бактерий, которые
нуждаются в постоянном притоке воздуха и не переносят
сильно кислой среды. Кислород воздуха используется ими
для окисления аммиака до азотистой кислоты. На этом
функции нитритных бактерий заканчиваются, и в процесс
нитрификации вступают новые бактерии — нитратные, ко-
торые, продолжая работу своих предшественников, окис-
ляют азотистую кислоту до азотной. Нитратные бактерии,
как и нитритные, нуждаются в минеральных веществах и в
широкой аэрации, то есть в большом притоке воздуха в
почву. Там, где встречаются нитритные бактерии, обязан
42
тельно находятся и нитратные, поэтому процесс нитрифи-
кации всегда доводится до конца.
Образующаяся в почве азотная кислота взаимодей-
ствует с минеральными соединениями, не доступными ра-
стениям, и переводит их в соли азотной кислоты — селит-
ру, которая легко усваивается растениями. При большом
содержании аммонийных солей в почве нитрификация про-
текает довольно энергично.
Не так давно процесс нитрификации считался особенно
полезным. Существовало мнение, будто бы только азотно-
кислые соли-нитраты усваиваются высшими растениями,
а аммонийные соли им недоступны. Но практика посте-
пенно опровергла это мнение и было доказано, что расте-
ния усваивают аммонийные соли не хуже, чем азотнокис-
лые.
Тогда возник вопрос о пользе процесса нитрификации.
Некоторые ученые по-прежнему считали его полезным,
так как он помогает переводить трудно доступные расте-
нию питательные вещества, как например фосфориты, в
легко усвояемую растениями соль. Другие находили этот
процесс не только бесполезным, но даже вредным, моти-
вируя свою точку зрения тем, что нитраты, образующие-
ся в результате нитрификации, легко вымываются из
почвы.
В конце концов большинство ученых пришло к заклю-
чению, что среди других почвенных процессов биологиче-
ской фиксации азота нитрификация играет положительную
роль в сельском хозяйстве.
Вопросами биологической фиксации азота занимались
многие ученые большинства стран мира. Среди них пер-
вое место заслуженно принадлежит русским ученым.
Еще в 70-х годах прошлого столетия Д. И. Менделеев
начал изучать вопрос о возможности использования азота
воздуха для питания растений. Он писал: «Вопрос о спо-
собах превращения азота воздуха в почвенные азотистые
соединения, или в ассимилируемый азот, способный погло-
щаться растениями и давать в них сложные (белковые)
вещества, составляет один из таких вопросов, которые
представляют великий теоретический и практический ин-
терес».
Менделеев подошел к этой проблеме не только с тео-
ретической стороны. Под его руководством в России были
43
проведены первые опыты по применению минеральных
удобрений. В этих опытах в качестве практиканта прини-
мал участие К. А. Тимирязев, который в дальнейшем всю
свою большую жизнь посвятил вопросам изучения жизни
растений. Среди интересовавших Тимирязева проблем
азотное питание растений занимало видное место.
Особенно много работали над вопросами биологиче-
ской фиксации атмосферного азота выдающиеся русские
ученые С. Н. Виноградский, В. Л. Омелянский, В. С. Бут-
кевич, П. А. Костычев, Б. Л. Исаченко, М. В. Федоров и
др. Их деятельность в этом направлении, как и предпола-
гал Д. И. Менделеев, не только обогатила науку новыми
чрезвычайно ценными сведениями о развитии жизни на
земле, но и вложила в руки агрономов мощное оружие,
при помощи которого они могут управлять плодородием
почвы.
Хорошо известно, что растительные организмы состоят
главным образом из четырех элементов: углерода, кисло-
рода, водорода и азота. Все они, с физиологической точки
зрения, в равной степени необходимы растениям.
Источником углерода для растений служит углекис-
лый газ, источником кислорода — воздух, водорода —
вода. Азот растения черпают из почвы.
Обеспечение растений азотом в виде азотно-кислых или
аммиачных солей является одной из главных забот агро-
номической науки и практики.
Биологическая фиксация азота воздуха микроорга-
низмами, населяющими почву, и способность некоторых
бактерий переводить азотсодержащие органические сое-
динения в неорганические во многом облегчают задачу
азотного питания растений.
Хотя процессы биологической фиксации азота в при-
роде протекают и без постороннего вмешательства чело-
века, но наука дала в его руки методы рационального уп-
равления этими процессами. Разработаны и научно
обоснованы способы обработки почвы и создана мощная
сельскохозяйственная техника, позволяющая осуществлять
эту обработку на практике.
В лабораториях на соответствующей питательной среде
выращиваются культуры бактерий, которые способны
фиксировать молекулярный азот самостоятельно или осу-
ществлять этот процесс совместно с растениями. Выра-
44
щиваются и такие культуры бактерий, которые, попадая в
почву, переводят органические вещества в аммиак и азот-
ную кислоту. Препараты таких культур в виде сухого по-
рошка высевают отдельно или совместно со злаковыми
растениями и тем самым увеличивают обеспечение расте-
ний азотом за счет огромных запасов его в почве и в ат-
мосфере.
По подсчетам академика Д. Н. Прянишникова на по-
севных площадях Советского Союза бобовые растения
связывают около одного миллиона тонн азота в год, а
свободноживущие азотфиксирующие бактерии дают
около двух миллионов тонн усвояемого растениями
азота.
В общей сложности все азотфиксирующие бактерии
могут ежегодно обеспечить посевные площади нашей стра-
ны тремя миллионами тонн азота.
Сколько же усвояемого азота должно содержаться в
почве, чтобы полностью удовлетворить годовую потреб-
ность зерновых культур, высеваемых в нашей стране?
Прянишников и на этот вопрос дает исчерпывающий от-
вет. По его подсчетам, общая годовая потребность в азоте
при среднем урожае зерновых культур в 13 центнеров с
гектара составляет около 6,5 миллионов тонн, а при уро-
жае в 17 центнеров с гектара — 8,5 миллионов тонн. Эти
цифры дают возможность подсчитать, что для получения
урожая зерна в 180 'миллионов тонн, предусмотренных
шестым пятилетним планом развития народного хозяй-
ства СССР на 1956—1960 гг., потребуется около 9—10
миллионов тонн азота.
Азотфиксирующие бактерии, заселяющие около
100 миллионов гектаров посевных площадей нашей стра-
ны, могут обеспечить азотом более Уз урожая зерновых
культур в год. Отсюда понятен тот огромный интерес,
который проявляют многие ученые к вопросам биологи-
ческой фиксации азота.
Крупный ученый, профессор М. В. Федоров, в своей
книге «Биологическая фиксация азота атмосферы»,
высказывает мнение, что количество азота, фиксируемого
бактериями, еще не достигло своего предела. По его мне-
нию, при современном состоянии науки может быть най-
дена возможность еще более широкого управления про-
цессами биологической фиксации азота из воздуха.
45
Одним из условий азотфиксирующей активности бак-
терий является дополнительное обогащение почвы органи-
ческими веществами.
Он объясняет это тем, что азотфиксирующие бактерии
в процессе фиксации азота сами сильно размножаются и
при благоприятных условиях могут накопить на одном
гектаре не 20—30 килограммов азота, а 100.
Известны такие земли, на которых без всякого искус-
ственного азотного удобрения почвы высокий уровень пло-
дородия не снижается на протяжении сотен лет. Приме-
ром таких благодатных земель могут служить некоторые
районы степей Северной Америки — прерии, где содержа-
ние азота в почве особенно высоко и устойчиво. Причина
этого явления еще не совсем ясна, но ученые считают не-
сомненным, что в этой устойчивости ведущая роль принад-
лежит бактериям, то есть биологической фиксации атмо-
сферного азота.
«Какие бы изменения,— говорит профессор Федоров,—
ни были внесены в фактическую сторону дела будущими
исследователями, одно остается несомненным: обогаще-
ние почвенного слоя азотом возможно только за счет атмо-
сферы. Решение вопроса находится именно там, в этом
необъятном воздушном океане, где запасы азота столь
значительны, что могут обеспечить высокие урожаи для
любого числа наших будущих поколений».
Советская наука располагает всеми возможностями
для решения этой грандиозной задачи в ближайшем буду-
щем. В настоящее же время большая часть азота, необхо-
димого растениям, вносится в почву с удобрениями.
Для своего развития растения поглощают из почвы
соли азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы, же-
леза, бора, марганца, меди, иода и цинка. Не все эти эле-
менты в одинаковой мере необходимы растениям. Из пе-
речисленных 12 элементов, последние шесть потребляются
растениями в таких ничтожных количествах, что, как пра-
вило, растения свободно находят их в любой почве. По-
требность растений в магнии и сере также удовлетворяет-
ся за счет содержания -их в почве. Кальций потребляется
растениями в больших количествах, чем магний и сера,
но и содержание его в почвенном слое выше; кро-ме того,
кальций постоянно вносится в почву с большинством
удобрений.
46
Особую заботу у агрономов вызывают азот, фосфор и
калий. Почвенных запасов этих элементов обычно расте-
ниям не хватает. Их приходится вносить с удобрениями,
среди которых наиболее важными и являются азотные
удобрения.
Азотные удобрения
Азотные удобрения разделяются на три группы: орга-
нические, зеленые и минеральные (искусственные).
План навозохранилища (цифрами указаны примерные размеры
в метрах).
К органическим удобрениям относятся уже упомяну-
тые нами навоз, птичий помет, компост и отбросы живот-
ных продуктов. Органические азотные удобрения по
своему составу в большинстве случаев относятся к общим
удобрениям, то есть к таким, которые содержат, кроме
азота, фосфор, калий и другие элементы.
Общее количество навоза, использованного в 1947 году
по всему Советскому Союзу, исчислялось в 400 миллионов
тонн. Так как в навозе в среднем содержится 0,5 процента
азота, то при удобрении им почвы в нее было внесено при-
мерно 2 миллиона тонн азота.
Азот, поступающий в почву с навозом, может быть ис-
пользован растениями только после того, как он перейдет
47
в растворимые соединения. Этот процесс разложений
навоза с образованием аммонийных солей происходит в
почве довольно быстро. Скорость и полнота разложения
навоза определяются его качеством, а последнее зависит
от способов сбора и хранения его. Наибольшую пользу
приносит полуперепревший навоз. Его получают при хра-
нении в специальных навозохранилищах, где обеспечи-
вается нужная температура и влажность.
На поле навоз вывозят перед вспашкой и равномерно
распределяют в верхнем слое почвы, запахивая его на
полную глубину. Для укладки навоза в навозохранилище и
для вывоза и разбрасывания его в поле применяют спе-
циальные машины.
Вопрос о более полном сборе навоза, правильном его
хранении и использовании имеет огромное значение для
сельского хозяйства.
Решения партии и правительства об интенсивном раз-
витии животноводства создают реальные возможности
увеличения годового применения навоза почти вдвое про-
тив 1947 года.
48
Другим источником органического связанного азота
служит торф, применяющийся как удобрение. Запасы
торфа в СССР превышают запасы его в любой другой
стране.
По подсчетам академика Вернадского, вероятное со-
держание связанного азота во всех видах торфа на зем-
ном шаре составляет свыше 40 биллионов тонн. Учитывая
огромные запасы торфа в нашей стране, ученые считают
целесообразным найти рациональные способы его приме-
нения в качестве дополнительного источника азота для
сельского хозяйства.
Однако в использовании торфа как удобрения встре-
чаются трудности. Азот, содержащийся в торфе, значи-
тельно хуже переходит в форму, усвояемую растениями,
чем азот, входящий в состав других органических удобре-
ний, поэтому некоторые ученые рекомендуют использо-
вать торф на подстилку скоту, что может дать нашему
сельскому хозяйству дополнительно большие количества
азота, легко переходящего в аммиачные и азотнокислые
соли.
Зеленые удобрения составляют другую группу удобре-
ний, богатых азотом. Бобовые растения, как нам уже
теперь хорошо известно, обладают способностью при по-
мощи клубеньковых бактерий усваивать атмосферный
азот. Этот азот распределяется по всем частям растения.
Если бобовые растения используются на корм скоту, то
в пожневых остатках и в корнях остается только 30 про-
центов усвояемого азота.
В 80-х годах прошлого столетия профессор Бурдин за-
интересовался вопросом, нельзя ли использовать зеленую
часть бобовых растений, как азотное удобрение? Эта
мысль возникла у него из следующих соображений. Зеле-
ная часть бобовых растений, используемая на корм скоту,
возвращается обратно в почву в виде навоза. Очевидно,
подумал он, бобовые растения могут служить удобрением
и не проходя такой сложный путь.
Свои предположения Бурдин решил проверить на
практике. Закапывая на небольших участках выращен-
ные мм различные бобовые растения, он засевал эти
участки зерновыми культурами. Оказалось, что наиболь-
ший эффект дает люпин, одно из бобовых растений, кото-
рое имеет ограниченное применение как корм.
4 В. И. Медведовский	/0
Урожай озимой пшеницы, полученный Бурдиным с не-
удобренного участка, составлял 7,3 центнера с гектара, в тс
время как с участка, на котором был закопан люпин во вре-
мя его цветения, было получено 12,4 центнера с гектара.
Целесообразность использования в некоторых районах
России наземной части бобовых растений как удобрения
все больше и больше подтверждалась практикой, и во мно-
гих губерниях урожаи на полях, удобренных одним только
люпином, повышались вдвое. Особенно выгодно было за-
пахивать люпин в тех районах, где было мало скота, или
на участках, далеко отстоящих от скотных дворов.
Этот простой, удобный и дешевый способ удобрения
полей получил в отдельных местах полное признание.
В дальнейшем выяснилось, что люпин обладает еще
одним положительным свойством. Его корневая система
способна усваивать минеральные вещества трудно раство-
римых 'соединений. Более того, люпин своими корнями
проникает в почву глубже, чем злаковые растения, и до-
бывает оттуда питательные вещества, недоступные пос-
ледним. Так, например, необходимый ему фосфор люпин
добывает из таких фосфоритов, которые совершенно не
усваиваются злаковыми культурами. Поэтому запаханный
в почву люпин обогащает ее не только азотом, но и фос-
форными соединениями.
В качестве зеленого удобрения люпин обычно высе-
вают весной и запахивают под озимые посевы либо во
время его цветения либо, еще лучше, в начале плодоноше-
ния, в первой половине августа, когда количество азота
в люпине наибольшее.
Люпин бывает нескольких видов, и почти все они ис-
пользуются как зеленое азотное удобрение.
Применение люпина на корм имеет ограниченное рас-
пространение вследствие того, что семена его содержат
ядовитые вещества-алкалоиды, вызывающие у животных
люпиновую болезнь.
Алкалоиды — это азотсодержащие растительные ве-
щества, обладающие щелочными свойствами. В настоящее
время открыто и выделено около 700 различных алкалои-
дов, одни из них являются сильнейшими ядами, другие
служат ценными лекарственными препаратами. К послед-
ним относятся кофеин, стрихнин, атропин, хинин, кодеин
и др., широко применяемые в медицине.
50
Кроме люпина, в качестве зеленого удобрения в зави-
симости от состава почвы применяют сараделлу, горох,
вику и другие бобовые растения.
К третьей группе азотных удобрений относятся мине-
ральные вещества или искусственные удобрения.
Для получения хороших урожаев в почву систематиче-
ски необходимо вносить минеральные удобрения, содер-
жащие азот, фосфор, калий и другие элементы.
Вынос растениями азота из почвы частично возмещает-
ся за счет фиксации его из воздуха, в то время как
потери фосфора и калия могут быть возмещены только
внесением их в почву с различными минеральными удо-
брениями.
Калий и фосфор в равной степени необходимы расте-
ниям, но содержание их в земной коре не одинаково. Фос-
фора насчитывается всего лишь 0,12 процента, калия почти
в 20 раз больше.
Основная масса калия находится в почве в виде раз-
личных малорастворимых соединений кремния — калий-
ных силикатов. Поэтому несмотря на то, что в одном
гектаре пахотного слоя почвы содержится около 35 тонн
калия, ее вое же приходится удобрять растворимыми
калийными соединениями или золой. Кроме калия, зола
содержит фосфор, который необходимо регулярно вносить
в почву в больших количествах. Основными фосфорными
удобрениями являются: суперфосфат, томасов шлак и ко-
стная мука. Фосфорные удобрения применяются в смеси
с различными видами калийных удобрений в разных ком-
бинациях, в зависимости от состава почвы и предполагае-
мой к посеву культуры.
Производство фосфорных и калийных удобрений в Рос-
сии, как и во многих странах земного шара, было возмож-
но благодаря богатым месторождениям необходимых
солей. Наличие сырья способствовало развитию промыш-
ленности минеральных удобрений. Однако удобрения эти
оказались неполноценными, так как в них отсутствовал
азот.
Производство минеральных азотных удобрений вслед-
ствие отсутствия сырья долгое время не развивалось.
Почти в течение ста лет единственным источни-
ком азотнокислых солей являлась чилийская селитра, ко-
4*	51
торую 'ввозили в огромных количествах во все страны
мира.
Начиная с 40-х годов прошлого столетия, когда стало
известно, что растения нуждаются в минеральном азоте,
потребность в азотнокислых солях сильно возросла.
Если еще в 1830 году вывоз чилийской селитры состав-
лял всего лишь 850 тонн, то уже в 1850 году из Чили было
вывезено 23 тысячи тонн селитры. А еще через 20 лет, в
1870 году, вывоз ее увеличился до 132 тысяч тонн.
Мировое потребление селитры с каждым годом увели-
чивалось и в 1900 году достигло 1,5 миллиона тонн, а в
1910 году почти 2,5 миллионов тонн. Но и на этом рост по-
требности в селитре не приостановился. Запасы же чилий-
ской селитры постепенно истощались. Это обстрятельство
сильно встревожило некоторых ученых.
В 1898 году известный английский ученый Крукс в
своей речи на годичном собрании британской ассоциации
ученых предсказал человечеству близкую опасность все-
мирного голода. Его выступление было напечатано в газе-
тах и привлекло к себе огромное внимание.
О чем говорил в своей речи Крукс? Он прежде всего
занялся подсчетом людей, для которых пшеничный хлеб
является незаменимой пищей. По его данным оказалось,
что пшеничный хлеб к моменту подсчета потребляют при-
мерно 500 М'иллионов человек и ежегодно к этому числу
в результате прироста населения прибавляется еще около
6 миллионов чело-век.
Высчитав количество зерна, необходимое для удовлет-
ворения потребности этих людей, он нашел, что оно со-
ставляет вместе с семенным фондом около 2,3 миллиарда
бушелей в год (1 бушель равен 36,3 литра). Урожай же
1897—1898 года равнялся немногим меньше 2 миллиардов
бушелей.
Полученные цифры обеспокоили Крукса, но не обезна-
дежили его. Недостаток в пшенице, полагал он, можно по-
крыть за счет увеличения площадей посева. И он делает
попытку оценить размеры площадей, которые дополни-
тельно могут быть использованы под пшеницу в разных
странах. Таких площадей оказалось около 100 миллионов
акров (1 акр равен около V3 гектара). Учитывая, что в
1898 году под пшеницей было занято около 163 миллио-
нов акров, Крукс приходит к выводу, что при максималь-
52
ном 'И'сподьзовании всех свободных площадей потребность
все возрастающего населения в пшенице будет удовлетво-
рена только до 1931 года.
Что же будет дальше? Дальше, отвечает Крукс, необ-
ходимо повысить урожаи, в противном случае человече-
ству грозит постепенно нарастающий голод.
В то время было уже хорошо известно, что для повыше-
ния урожайности зерновых культур в почву необходимо
вносить удобрения. Лучшие специалисты сельского хозяй-
ства единодушно сошлись на том, что самым совершенным
удобрением для злаковых растений является селитра.
О микробиологических процессах, протекающих в поч-
ве, знали сравнительно мало. Наряду с бактериями, спо-
собными переводить азот воздуха в усвояемую растениями
форму, были известны бактерии, которые разлагают цен-
ные для растений азотнокислые соли с выделением эле-
ментарного азота. Поэтому Крукс в своих расчетах не воз-
лагал никаких надежд на бактерии, опасаясь их как «не-
верных союзников».
Основные надежды он возлагал 'на чилийскую селитру
как на надежное средство регулярного повышения урожая
злаковых культур.
Естественно возник вопрос о запасах селитры в Чили
и о спросе на нее. Подсчитав ежегодный расход селитры и
вероятные запасы ее, Крукс приходит к выводу, что они
истощатся задолго до рокового 1931 года. Следовательно,
делает он вывод, голод неминуем, человечеству грозит ги-
бель.
«Точно ли человечеству грозит гибель?» ставит в это
же время вопрос знаменитый русский ученый Климент Ар-
кадьевич Тимирязев в своей публичной лекции, прочитан-
ной им в 1898 году. Чтобы ответить на этот вопрос, Тими-
рязев обращается к открытию крупного английского уче-
ного лорда Кавендиша, сделанному более ста лет тому
назад.
Пропуская электрические искры через атмосферный
воздух, Кавендиш нашел, что азот окисляется кислородом
воздуха в окись азота, которая может быть переведена в
азотную кислоту. Следовательно, решает Тимирязев, «сжи-
гая» азот воздуха, можно получить азотнокислые соли, ко-
торые легко заменят на полях чилийскую селитру и повы-
сят урожай v ерновых культур. Так как запасы азота в воз-
53
духе неисчерпаемы, человечество может полностью обеспе-
чить себя необходимым количеством удобрений.
Но для того чтобы заменить чилийскую селитру солями
азотной кислоты, нужны огромные электростанции с деше-
вой электроэнергией.
В конце прошлого века электрическую энергию полу-
чали главным образом от паровых двигателей, вращающих
динамомашины. Такой способ получения электроэнергии
был дорог и невыгоден для производства а-зотной кислоты
из кислорода и азота воздуха.
Более дешевую электроэнергию получали на Ниагаре
и Роне, использовав энергию падающей воды. На приме-
нение этой дешевой электрической энергии и указал Ти-
мирязев.
«Мы,— говорил Тимирязев,— быть может, находимся
накануне капитального переворота в земледелии, получе-
ния самого важного из удобрительных средств прямо из
воздуха, везде, где только найдется дешевый источник
силы. Это будет один из поразительных результатов науч-
ного творчества, созидающего ценности из ничего...».
В начале нашего века ученые действительно нашли
удобный и дешевый способ превращения газообразного
азота воздуха в ценнейшие продукты — аммиак и азотную
кислоту. Но эти открытия человеческого ума были исполь-
зованы кучкой милитаристов не на повышение урожай-
ности полей и удовлетворение нужд человечества в хлебе,
а на орошение полей человеческой кровью для удовлетво-
рения своих бредовых стремлений к мировому господству.
Разыгралась первая мировая война, во время которой
синтетическая азотная кислота полностью использовалась
в производстве взрывчатых веществ.
Это было через 16 лет после того, как Тимирязев в
1898 году прочел упомянутую публичную лекцию, в кото-
рой он так вдохновенно говорил о возможном близком из-
бавлении. человечества от угрозы голода, предсказывая
широкое использование азота и кислорода воздуха для по-
лучения удобрений.
Не всем ученым было понятно великое значение идей
Тимирязева. Были и такие ученые, которые считали его
мысли опасными.
Еще до выступления Тимирязева английский физик
лорд Кельвин начал развивать теорию, из которой следо-
54
вало, что использование кислорода воздуха на окисление
азота равносильно самоубийству.
По мнению Кельвина, в отдаленную геологическую
эпоху при остывании нашей планеты кислород не мог оста-
ваться в свободном состоянии и весь перешел в газообраз-
ное соединение с углеродом — углекислый газ.
В последующие геологические эпохи бурно цветущая
растительность способствовала разложению углекислого
газа на углерод и кислород. Углерод вошел в состав орга-
нического мира, и постепенно отложился в недрах земли в
виде угля и торфа, а кислород вошел в состав воздуха.
В настоящее время, продолжал развивать свою мысль
Кельвин, идет бурное развитие промышленности. Это ведет
к все возрастающему потреблению угля. Если потребле-
ние его не сократится, то через 400—500 лет весь запас
угля будет исчерпан, а вместе с ним будет использована и
большая часть кислорода. Жизнь на земле прекратится.
Человечество само себя удушит.
На долю К- А. Тимирязева выпала роль доказать несо-
стоятельность и этой теории. С присущей ему последова-
тельностью в той же лекции, в 1898 году, выступая против
основного положения Кельвина, Тимирязев доказал, что
кислород воздуха не мог образоваться из углекислого газа
при помощи растений, ибо растения сами нуждаются в ки-
слороде и не могли появиться на земле в его отсутствие.
Этот простой, но ясный вывод Тимирязев сделал на осно-
вании своего многолетнего труда над вопросами питания
растений.
Питание растений
Примерно двести лет тому назад английский ученый
Пристли, открывший кислород, заинтересовался вопросом,
почему воздух, из которого в течение многих миллионов
лет непрерывно расходуется кислород, не теряет способ-
ности поддерживать жизнь на земле, в то время, как
если под колпак поместить горящую свечу, то через неко-
торое время воздух под ним становится непригодным для
дыхания.
Размышляя над тем, как же в природе израсходован-
ный кислород возвращается обратно в воздух, он пришел
к -выводу, что в природе должен существовать процесс,
противоположный поглощению кислорода.
55
Пристли предполагал, что «кислородным регулятором»
должен быть океан. Но это предположение не оправда-
лось. Энергично перемешивая воду с воздухом, в котором
погасла свеча, он убедился в том, что воздух не обога-
тился кислородом и не приобрел своих прежних свойств.
Опыт Пристли. Растения поглощают углекислый
газ и выделяют кислород.
Не теряя надежды найти в природе такую силу, кото-
рая способна восстанавливать состав воздуха, Пристли
обращает свой взор на необъятные просторы зеленых
лесов и полей и ставит опыт, который помог человечеству
разгадать одну из величайших тайн природы.
Взяв широкую чашку с водой и поместив на плаваю-
щей пробке свечу, Пристли накрыл ее стеклянным колпа-
ком. После того как свеча погасла, он подсунул под кол-
пак свежесорванный пучок зеленой травы, которая всплы-
ла на поверхность воды. Через несколько суток под этот
же колпак была посажена мышь. Произошло необычное:
вместо того чтобы проявить беспокойство, которое наблю-
56
дается у животных в отсутствие кислорода, мышь спокой-
но плавала по поверхности воды, ища выхода.
Этим простым опытом было положено начало выясне-
нию роли растений >в жиз»ни на земле. Стало известно, что
кислород, поглощаемый из воздуха при дыхании, возвра-
щается обратно в воздух растениями.
Но сущность этого замечательного явления природы
долгое время оставалась неразгаданной, и лишь Клименту
Аркадьевичу Тимирязеву удалось раскрыть процессы,
происходящие в зеленых листьях растений.
Растения, как и любой живой организм, нуждаются в
пище. Пищей для них служат минеральные соли, всасы-
ваемые корнями из почвы, и углекислый газ воздуха —
тот самый углекислый газ, который образуется при дыха-
нии человека и животных и при горении дерева, угля и
других материалов.
Углекислый газ попадает в зеленый лист растения че-
рез многочисленные отверстия — устьица, находящиеся на
поверхности листа.
Минеральные соли, растворенные в воде, всасываются
корнями и по тонким капиллярам ствола и стеблей попа-
дают к листу. Здесь, в листе и встречаются соединения,
содержащие все необходимые растению элементы: угле-
род, водород, кислород и азот. Но взаимодействие этих
соединений может происходить не в любом .месте листа
и не во всякое время суток.
Когда Тимирязев впервые посмотрел на срез зеленого
листа через микроскоп, он увидел, что его клетки, похожие
на пчелиные соты, содержат зеленые хлорофилловые зер-
на. Многочисленными опытами ученого было доказано, что
именно в них, в хлорофилловых зернах, и происходит про-
цесс превращения углекислого газа воздуха и солей,
поступающих из почвы с влагой, в питательные вещества.
Протекание этого сложного химического процесса — фо-
тосинтеза — оказалось возможным только под влиянием
света солнечных лучей, и Тимирязев охарактеризовал
хлорофилловое зерно как «тот фокус, та точка в мировом
пространстве, где солнечный луч, превращаясь в химиче-
скую энергию, становится источником всей жизни на
земле». •
Хлорофилловое зерно, которое для своего образования
и развития само нуждается в кислороде, оказалось той
57
лабораторией, где при помощи солнечного свега и тепла
углекислый газ и вода превращаются в питательные ве-
щества, причем одновременно освобождается кислород,
который выделяется в атмосферу.
До последнего времени предполагали, что выделяю-
щийся при фотосинтезе молекулярный кислород образует-
ся за счет расщепления молекулы углекислого газа на
углерод и кислород.
Углерод, взаимодействуя с водой, превращается в ко-
нечном счете в глюкозу, а кислород выделяется в атмо-
сферу.
На выяснение механизма усвоения — ассимиляции
углекислого газа зелеными растениями было затрачено
много труда и энергии ученых; среди них наиболее выдаю-
щаяся роль принадлежит крупнейшему ученому, осново-
положнику школы советских биохимиков академику Алек-
сею Николаевичу Баху.
Работы Баха в области фотосинтеза привели к созда-
нию теории, которая не только объяснила сущность про-
цесса образования глюкозы в зеленых листьях растений,
но и помогла выяснить истинный источник того кислорода,
который выделяется при фотосинтезе.
В настоящее время считают, что источником выделяю-
щегося кислорода является вода, поступающая в листья
растений из почвы. В хлорофилловых зернах вода, всту-
пая во взаимодействие с углекислым газом, разлагается,
кислород идет на образование неустойчивых соедине-
ний — перекисей, которые, разлагаясь, дают молекуляр-
ный кислород.
Теория эта была экспериментально подтверждена
в 1941 году А. П. Виноградовым, который для изучения
фотосинтеза впервые применил тяжелый изотоп кислоро-
да О18. Выяснилось, что если растение поливать водой,
содержащей тяжелый изотоп кислорода, то он обнаружи-
вается в газообразном кислороде, выделяющемся при
фотосинтезе, причем количество тяжелого изотопа кисло-
рода О18 в газообразном кислороде будет тем больше, чем
больше его содержалось в воде, которой поливали расте-
ние.
Если же поливать растение обычной водой, но поме-
стить его в атмосферу углекислого газа, содержащего тя-
желый изотоп кислорода О18, то изотоп этот обнаружи-
58
вается не в газообразном кислороде, а в молекулах глю-
козы, образующихся при фотосинтезе.
Часть глюкозы как растворимое вещество разносится
по всему растению и служит ему пищей и материалом для
построения клетчатки, из которой состоят листья, стебли,
стволы и корни.
Другая часть глюкозы, теряя молекулу воды, превра-
щается в крахмал (С6Н12Об = С6НюО5 + Н2О), который
откладывается в плодах и зернах.
На образовании глюкозы, однако, не заканчивается
физиологический процесс», происходящий в зеленых
листьях растений. Часть продуктов фотосинтеза, встреча-
ясь б зеленом листе с азотсодержащими веществами, по-
ступающими из почвы, превращается в белок.
Азот — неотъемлемая составная часть белка
К самым сложным органическим соединениям в при-
роде относятся белки — протеины. Еще в начале XIX века
было установлено, что белковые вещества в среднем со-
держат 50—55 процентов углерода, 21—25 процентов
кислорода, 15—17 процентов азота и 6—7 процентов водо-
рода.
Азот является непременной составной частью белка, а
белок — наиболее важной составной частью живого орга-
низма.
Какую бы малую часть животного или растительного
организма мы ни взяли, мы всегда найдем в ней белок,
тот основной материал, из которого состоит протоплазма
живой клетки. В состав протоплазмы, кроме белка, входят
углеводы, жиры и вода; последней насчитывается от 50
до 80 процентов общего веса протоплазмы. Однако самой
главной составной частью ее является белок.
Если животное кормить некоторое время только одни-
ми углеводами и жирами, юно погибнет от истощения.
Если же его питать белком или даже продуктами его рас-
пада, то животное может долгое время прожить и без
углеводов и жиров.
Впервые роль белка в жизненных явлениях определил
Ф. Энгельс. Он писал: «Жизнь есть способ существова-
ния белковых тел... Повсюду, где мы встречаем жизнь,
мы находим, что она связана с каким-либо белковым те-
59
лом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое
тело, которое не находится в процессе разложения, мы
без исключения встречаем и явления жизни».
Определение белков как основных носителей жизнен-
ных процессов остается незыблемым и по настоящее вре-
мя. Это определение подтверждается многолетней про-
веркой его на огромном фактическом материале.
Впервые, 250 лет тому назад, белок был выделен из
костей в виде желатины. В начале XVIII века из пшенич-
ной муки выделили белок в виде клейковины. В конце
XVIII века из молока было получено еще одно белковое
вещество — казеин, а из гороха — легумин.
Почти одновременно стало известно, что во всех частях
тела человека и животного имеются белки. Волосы, зубы
и ногти человека, рога и шерсть животного тоже содержат
белково-подобные вещества — протеины. Они находятся
и в плазме крови, в слюне, в желудочном соке, в мозгу, в
печени, в почках, в мышцах, в хрящах, в костях, в хруста-
лике глаза и в барабанной перепонке уха.
Все больше и больше 'разнообразных белков обнару-
живается и в различных растительных организмах.
Естественно возник вопрос, чем же отличаются белки
животные от белков растительных и какая разница между
белками различных частей животного и растительного ор-
ганизмов. Для ответа на этот вопрос понадобилось прежде
всего глубоко изучить химический состав отдельных бел-
ков. Необходимо было найти то общее, что встречается
во всех белках независимо от их происхождения и что яв-
ляется характерным для белков, несмотря на их разно-
образие.
Этим вопросом занимались лишь отдельные ученые.
Для большинства биологов и биохимиков конца прошлого
и начала настоящего века белковое вещество представ-
лялось таинственным, малодоступным для исследования,
и они с опаской подходили к изучению его химической
природы.
В 1871 году профессор Харьковского университета
Любавин впервые, на основании экспериментальных дан-
ных, высказал предположение, что белки построены из
определенных химических соединений — аминокислот. От-
крытие Любавина было встречено недоброжелательно и не
было принято учеными.
60
Только спустя 20 лет крупный исследователь-биохимик,
академик А. Я. Данилевский своей работой, напечатанной
в 1891 году, подтвердил предположение Любавина об уча-
стии аминокислот в построении белковых молекул и пред-
ложил теорию вероятных связей между аминокислотами.
В дальнейшем было окончательно установлено, что
белок состоит из большого количества соединенных между
собой аминокислот. В состав белковой молекулы могут
входить и другие группировки атомов, но их наличие в бел-
ке не является для него столь же характерным, как присут-
ствие аминокислот.
Аминокислоты представляют собой производные орга-
нических кислот, которые в свою очередь характеризуют-
ся наличием карбоксильной группы (СООН).
Молекула уксусной кислоты, кроме карбоксильной
группы, содержит радикал (СН3) и структурно может быть
выражена следующим образом:
Н О
I II
Н—С—С-ОН
I
н
Структурная формула пропионовой кислоты, молекула
которой, кроме карбоксильной группы и радикала (СН3),
содержит еще один атом углерода и два атома водорода,
может быть изображена:
Н Н О
I I II
Н-С-С-С-ОН
н н
Для того чтобы получить 'аминопроизводную уксусной
кислоты, необходимо у радикала (СН3) один атом водо-
рода заменить на аминогруппу. В результате будет полу-
чена аминоуксусная кислота или гликоколь, структурная
формула которой:
Н О
I II
Н-С-С-ОН
NH,
61
Производная пропионовой кислоты — аминопропионо
вая кислота или аланин — получается замещением одного
атома водорода у ближайшего к карбоксильной группе
углерода на аминогруппу, в результате чего образуется
соединение:
Н
I
СН3—С—соон.
I
nh2
Аланин, гликоколь и многие другие аминокислоты пред-
ставляют собой отдельные звенья, которые, соединяясь
между собой, образуют молекулы белка.
Как же соединяются между собой аминокислоты в бел-
ке? Любая молекула аминокислоты, благодаря наличию в
ней карбоксильной группы, имеет кислотные свойства.
Одновременно молекула аминокислоты обладает и основ-
ными свойствами, которые обусловливаются присутствием
в ней аминогруппы.
Таким образом, аминокислоты обладают двойствен-
ными или амфотерными свойствами. В кислой среде они
ведут с-ебя как щелочи, реагируя своими аминогруппами,
а в щелочной среде —как кислоты, реагируя своими
карбоксильными группами.
В молекуле белка аминокислоты соединены между
собой пептидными связями. Это означает, что карбоксиль-
ная группа одной молекулы аминокислоты соединяется с
аминогруппой другой молекулы, при этом выделяется мо-
лекула воды.
Соединения, образующиеся в результате пептидной
связи нескольких аминокислот, получили название поли-
пептидов.
Всего в настоящее время открыто и выделено более 30
разнообразных аминокислотных групп. В каждую из них
входит большое число индивидуальных аминокислот, из
различных комбинаций которых состоят отдельные белки.
В молекулу белка может входить по несколько амино-
кислот от каждой группы, причем, общее число аминокис-
лот в белке может достигать нескольких сотен. Это ска-
зывается на молекулярном весе белков, который колеб-
лется от 34 000 до 2 000 000.
62
Сложность белковой молекулы заключается не только
в том, что в нее входит большое количество различных
аминокислот, но главным образом в том определенном,
строгом порядке, в котором связаны между собой амино-
кислоты — отдельные звенья всей полипептидной цепи.
И как ни велика бывает эта цепь, как ни мала, казалось
бы, становится роль отдельной ее частицы, но стоит в этой
цепи переставить на другое место хотя бы одну амино-
кислоту, как сразу же меняются не только химические,
ню и физические свойства белковой молекулы.
Недаром многочисленные попытки ученых синтезиро-
вать молекулу белка пока не увенчались успехом. Задача
эта оказалась чрезвычайно сложной. Чтобы создать белко-
вую молекулу, необходимо не только знать, что и в каком
количестве входит в ее состав, как связываются между
собой отдельные составные части белка, но и в какой по-
следовательности они расположены в белке.
Если, например, взять 300 аминокислот по десяти от
каждой из 30 различных групп, то оказывается, что из
этого количества можно создать около единицы с пятью-
десятью нулями (1050) различных комбинаций белков и
каждый из них будет обладать отличными от других свой-
ствами. Большинство таких белков синтезируется живот-
ными и растительными организмами.
Человек пользуется белками, поступающими в его орга-
низм с пищей, но по содержанию белка не все пищевые
продукты равноценны.
Из важнейших пищевых продуктов наиболее богато
белками говяжье мясо, которое содержит от 18 до 21 про-
цента пищевых белков. За ним идет рыба, содержание
белка в которой колеблется от 15 до 23 процентов. В яйцах
его содержится 12 процентов, а в молоке 3.
Среди растительной пищи наиболее богат белками
горох — от 19 до 23 процентов. Содержание белка в греч-
невой крупе 'составляет 8—9 процентов, в пшеничном хлебе
6—10 процентов, в кукурузе 7 процентов, в ржаном хлебе
5,5—7,5 процента, в рисе 6 процентов, а в картофеле 1—
2 процента.
В какохМ же количестве белка нуждается организм че-
ловека? В различном возрасте потребность в белке разная.
Детям до одного года необходимо в сутки от 3,5 до 5 грам-
мов белка на каждый килограмм веса ребенка. В возрасте
63
от 1 года до 3 лет потребность в белке определяется В
3,5—4 грамма на один килограмм веса. В среднем это со-
ставляет около 40 граммов белка в сутки. В юношеском
возрасте 14—15 лет необходимо в день потреблять не
менее 80—100 граммов белка, а взрослому человеку тре-
буется несколько меньше и в сутки достаточно принимать
с пищей 70—80 граммов белка.
Приведенные нормы потребления белка человеком яв-
ляются наиболее рациональными. Избыток его, как и
недостаток в пище, может привести к нарушению нормаль-
ной жизнедеятельности организма.
Белки попадают в организм человека или животного
через пищеварительные органы. Если же ввести их непо-
средственно в кровь, то даже белок куриного яйца стано-
вится для организма ядом и легко отравляет его.
Почему же в таком случае белки, в том числе и белок
куриного яйца, попадая в кровь человека через пищевари-
тельные органы, не отравляют организм, а приносят ему
пользу?
Белковые вещества, попадая в пищеварительные орга-
ны человека, не проникают в кровь в виде целых молекул.
При помощи пищеварительных ферментов, которые в свою
очередь являются белками, пищевой белок расщепляется в
органах пищеварения на отдельные аминокислоты. Эти
«обломки» белковых молекул уже не имеют тех характер-
ных признаков, которые присущи отдельным белкам. Они
обладают способностью всасываться через стенки тонких
кишок в кровь и, попадая в кишечные вены, немедленно
разносятся по всему организму. Здесь, с помощью других
ферментов-белков, из аминокислот синтезируются но-
вые белки, необходимые для построения протоплазмы
живой клетки, специфичной для каждого отдельного
органа.
Под воздействием ферментов другого типа часть ста-
рых клеток разрушается, их место занимают вновь обра-
зующиеся клетки, а продукты распада выносятся из орга-
низма.
, Таким образом осуществляется непрерывный обмен
веществ — основа всей жизнедеятельности организмов.
Развитие и рост организма обусловливается тем, что про-
цессы образования клеток преобладают над процессами их
разрушения.
64
Некоторые аминокислоты могут синтезироваться в тка-
нях и органах человека или животного, но большинство
аминокислот входящих в состав белков, должны быть вве-
дены в организм с пищей.
Среди них десять аминокислот особенно необходимы
организму человека, вследствие чего они получили назва-
ние «незаменимых». При недостатке незаменимых амино-
кислот или отсутствии хотя бы некоторых из них нару-
шается нормальное развитие организма и возникают раз-
личные заболевания. Установлено, что в пищевых белках,
поступающих в организм человека, на каждые 100 грам-
мов аминокислот должно содержаться не менее 6 граммов
незаменимых аминокислот. И если в белках, вводимых в
организм человека, отсутствует хотя бы одна незаменимая
аминокислота, белки считаются неполноценными.
Основным условием для нормального существования и
развития организма является полноценность белкового
питания, то есть питание должно содержать в определен-
ных пропорциях все без .исключения аминокислоты, не
синтезируемые организмом человека.
Конечно, для нормального существования и развития
организма нужны «и другие питательные вещества, в том
числе жиры, углеводы, витамины и различные минераль-
ные вещества. Несомненно лишь одно, что без белковых
веществ, в состдв которых входит азот, невозможна ника-
кая жизнь на земле.
Круговорот азота в природе
В природе огромное количество белков синтезируется
растениями из неорганических соединений, содержащих
углерод и азот. Углерод поступает в зеленый лист расте-
ния из воздуха в виде углекислого газа, а азот из почвы в
виде растворимых солей. Многие растения идут в пищу
человека и на корм животным.
'Большая часть растительных белков, попадая в орга-
низм человека или животного, перерабатывается в живот-
ные белки. Наряду с образованием белков в организме
человека и животного непрерывно осуществляется про-
цесс их разложения.
Одним из конечных продуктов разложения белковых
NH
веществ является мочевина (О = С<мн2)‘ меР'е св0‘
5 В. И. Медведевский
его накопления мочевина выбрасывается из организма
с мочой.
Таким образом, почти весь азот, поступающий в орга-
низм взрослого человека или животного, выходит из орга-
низма в ваде выделений.
Круговорот азота в природе.
Выделения, попадая в почву, разлагаются частично до
элементарного азота, частично до аммиака и вновь ис-
пользуются растениями.
66
При гниении умерших животных или растительных
организмов их белковые вещества также распадаются с
образованием элементарного азота и аммиака. Наконец,
при сжигании топлива большая часть азотсодержащих
соединений распадается, и молекулярный азот выделяется
в атмосферу.
Во время грозы молекулярный азот воздуха соединяет-
ся с кислородом и вместе с влагой попадает в почву.
В свою очередь, в почве протекают процессы биологиче-
ской фиксации азота. Фиксированный азот усваивается
растениями и, переходя в организм человека и животного,
совершает круговорот, который уже миллиарды лет осу-
ществляется в природе.
Следовательно, без азота, который некогда считался
газом, «не поддерживающим жизнь», невозможен синтез
белковых веществ, а без них невозможно построение про-
топлазмы живой клетки, то есть не может существовать
никакая жизнь на земле.
Знаменитый советский микробиолог академик
В. Л. Омелянский пишет: «Азот более драгоценен с об-
щебиологической-точки зрения, чем самые редкие из бла-
городных металлов».
Но не только с «общебиологической точки зрения» азот
является ценнейшим элементом в природе — многие отрас-
ли промышленности не могут обойтись без соединений,
включающих в себя азот.
Простейшим, но самым главным сырьем для всех азот-
ных соединений, применяемых в различных отраслях про-
мышленности, служат аммиак и азотная кислота.
5*
АЗОТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Получение азотных соединений из природного сырья
В глубокой древности в Китае, за много сотен лет до
нашей эры, была открыта селитра — одно из первых азот-
ных соединений, использованных человеком.
История этого открытия не дошла до наших дней, но
полагают, что открытию селитры способствовало ее свой-
ство поддерживать гсрение, впервые обнаруженное и ис-
пользованное китайцами для приготовления зажигатель-
ных составов и всевозможных ракет. Известные китайцам
сведения о селитре постепенно стали достоянием других
народов.
С изобретением пороха потребление этой соли в разных
странах стало с каждым годом увеличиваться.
На Руси производство пороха было впервые органи-
зовано в 1389 году в Моско веком княжестве Дмитрием
Донским.
В те времена процесс производства селитры, из которой
на 75 процентов состоит псрох, был крайне примитивен.
В открытую яму забрасывали вперемешку навоз, сор, золу,
строительный мусор и другие отбросы. Все это постепенно
разлагалось и в результате через 2—3 года в яме накап-
ливалась белая соль — селитра, которая носила название
«ямчуги».
Селитряная земля — смесь перепревших отбросов с
селитрой — обрабатывалась в деревянных чанах водой,
селитра вместе с другими солями переходила в раствор,
а землю снова забрасывали в яму со свежими порциями
навоза и отбросо-в.
Из полученного раствора селитру выщелачивали, то
есть отделяли от других растворимых солей. Процесс вы-
68
щелачивания селитры был также несовершенен, поэтому
получаемая селитра-ямчуга по своему качеству едва удо-
влетворяла требованиям, предъявляемым к ней порохо-
дельцами.
В XVI веке в некоторых местах России была обнаруже-
на селитряная земля. Появилась необходимость в созда-
нии общего руководства по способам распознавания,
добычи и обработки искусственных и естественных селит-
ряных земель, которое помогло бы получать селитру, при-
годную для производства пороха.
Поощряемый царями Василием Шуйским и Михаилом
Федоровичем некий Онисим Михайлов в 1607 г. занялся
составлением руководства, названного «Уставом ратных,
пушечных и других дел...». Устав этот был закончен в
1621 году и содержал 663 статьи по различным областям
знаний.
По вопросу получения селитры в «Уставе ратных, пу-
шечных и других дел...» были подробно изложены способы
«распознавания» селитряной земли, ее «испытания» и
обработки.
Качество селитры, получаемой по этому руководству,
все же оставалось неудовлетворительным. Вопрос о необ-
ходимости получения более чистой селитры особенно остро
возник при Петре I, который уделял много внимания се-
литряному делу. Он не только предписал перевести и
напечатать на русском языке все имевшиеся книги по
производству селитры, но и собственноручно описал спо-
соб «литрования» (очистки) селитры, которым следовало
руководствоваться при ее производстве.
Существовавшие в первой четверти XVIII века пред-
приятия по производству селитры не могли удовлетворить
значительно возросшего спроса. Петром I было создано
много государственных селитряных заводов, работавших
на естественном селитряном сырье. По мере истощения за-
пасов сырья заводы переводили в другие места, где была
обнаружена селитра.
Кроме того, были построены заводы, работавшие на
искусственном сырье. Так, например, вблизи гср. Архан-
гельска и под Саратовом такие селитроварни перерабаты-
вали «селитряную землю», получаемую в буртах из отбро-
сов боен, кожевенных заводов и предприятий по
производству клея.
69
В то время селитра производилась не только на госу-
дарственных заводах. Петром I был издан указ о расши-
рении производства селитры частными предпринимателями.
Этим указом предусматривались меры поощрения селит-
роварения. Вывоз селитры за границу и продажа ее част-
ным лицам были запрещены. Вся выработанная селитра
должна была доставляться в Москву и сдаваться госу-
дарству.
Хотя ежегодная выработка селитры при Петре I и до-
стигла 350—400 тонн, однако в основном производство ее
базировалось на опыте, накопленном отдельными мастера-
ми, которые передавали его из поколения в 'Поколение.
Научные обоснования производства селитры
Первым ученым, который занялся изучением селитры в
России, был Михаил Васильевич Ломоносов. В своей
диссертации «О рождении и природе селитры», написанной
в 1749 году, Ломоносов из числа известных в то время
солей выделил селитру как наиболее замечательное соеди-
нение, обладающее исключительными свойствами «прида-
вать огнестрельному пороху действие, подражающее
молнии».
Эту же мысль Ломоносов развивает и в другой своей
работе, где он говорит: «...селитра, которая духу никакого
и вкусу сильного не имеет, рождает проницательную и
твердые металлы разъедающую кислость и смрад, отъем-
люший дыхание». Здесь имеется в виду азотная кислота,
которую получали из селитры при нагревании ее с желез-
ным купоросом.
Ломоносов изучил и правильно определил состав селит-
ры, которая, по его мнению, происходит от соединения
щелочной соли (поташа) и кислотного или селитряного
спирта, как называли тогда азотную кислоту.
Описывая способы приготовления селитры, Ломоносов
обосновал необходимость прибавления к «селитряной зем-
ле» извести и золы. Он указал, что они способствуют обра-
зованию «постоянной, крепкой» селитры, пригодной для
производства пороха, то есть калиевой селитры, которая, в
отличие от натриевой, не впитывает в себя влагу.
Обладая правильными представлениями о составе и
свойствах селитры, Ломоносов впервые в России дает обос-
нованное описание методов ее изготовления.
70
Вслед за Ломоносовым вопросами состава селитры, ее
свойствами, способами получения и очистки занялись мно-
гие русские ученые. Труды их были изложены в специаль-
ных книгах, журнальных и газетных статьях.
Интерес к производству селитры- из искусственного
сырья не пропал и во второй половине прошлого столетия,
когда большая часть потребности в селитре стала удовлет-
воряться за счет импорта ее из Индии и Чили.
В 1871 году Д. И. Менделеев в первом издании своих
«Основ химии» довольно подробно описал искусственные
методы получения «селитряной земли» и ее обработки.
В этой работе приводится механизм образования азотно-
кислых солей при разложении органических, азотсодержа-
щих соединений в буртах, а также дается теоретическое
обоснование процессов извлечения — выщелачивания азот-
нокислого калия из селитряной земли и способы очистки
полученной селитры.
Процесс выщелачиваштя селитры основан на том, что
растворимость ее с повышением температуры увеличи-
вается больше, чем у других солей. Так, например, при
температуре 20° в 100 граммах воды растворяется 31,7
грамма калиевой селитры (KNO3), а при температуре
100° — 246 граммов; поваренной соли (NaCl) при темпе-
ратуре 20° в том же количестве воды растворяется
35,9 грамма, а при температуре 100° — 39,1 грамма.
Таким образом, при совместном присутствии в растворе
селитры и поваренной соли их можно легко отделить друг
от друга. Для этого кипячением раствор концентрируют до
начала кристаллизации соли. При охлаждении насыщен-
ного раствора до температуры 20° из него выпадают крис-
таллы селитры, которые оседают на дно сосуда-кристал-
лизатора. Оставшийся над кристаллами маточный
раствор сливают, а селитру сушат и используют по на-
значению.
Кристаллы поваренной соли выпадают в том случае,
если в горячем концентрированном растворе ее содержа-
ние превышает 35,9 грамма на каждые 100 граммов воды.
В противном случае вся поваренная соль останется в ма-
точном растворе.
В случае если поваренной соли в горячем концентриро-
ванном растворе больше, чем 35,9 грамма на каждые
100 граммов воды, и она выкристаллизуется вместе с ce-
rt
литрой, то для получения чистой селитры необходимо
повторить весь процесс кристаллизации. При этом, хотя и
получается хорошо очищенная соль, но при каждой по-
вторной перекристаллизации теряется часть селитры. На
этот -принцип очистки селитряной земли для получения
чистой селитры из буртов и указал Менделеев.
Однако Менделеев прекрасно понимал, что буртовый
способ производства азотнокислых солей не может слу-
жить базой для развития азотной промышленности. Основ-
ным сырьем для производства селитры он считал неогра-
ниченный источник азота — воздух.
«Одну из задач прикладной химии,— писал Менделе-
ев,— составляет отыскание технически выгодного способа
получить из азота воздуха его соединения, заключающие
ассимилируемый азот...».
Буртовый способ получения селитры просуществовал
недолго. Импорт чилийской селитры в Россию с каждым
годом увеличивался. Процесс перевода чилийской селитры
в калиевую, пригодную для приготовления пороха, ока-
зался крайне прост, а необходимое для этого сырье —
поташ (К2СО3) —встречалось в изобилии. Качество ни-
трата калия, получаемого из чилийской селитры, не усту-
пало хорошо очищенной соли из селитряной земли, а стои-
мость калиевой селитры была значительно ниже стоимо-
сти селитры собственного производства.
Однако быстро развивающиеся отрасли промышленно-
сти, потребляющие азотные соединения, и в первую оче-
редь военная промышленность не могли рассчитывать на
бесперебойное обеспечение сырьем из чилийского источ-
ника.
Мысли ученых, как это и предсказал Д. И. Менделеев,
а затем К. А. Тимирязев, обратились к азоту воздуха.
Дуговой способ получения азотной кислоты
Мы уже упоминали, что в конце XVII века был от-
крыт способ получения окиси азота >в электрической
искре.
Впоследствии это открытие привело к дуговому ме-
тоду получения азотной кислоты, который сводится к тому,
что при пропускании воздуха через электрическую дугу
72
из элементарного азота и кислорода образуется окись
азота (N2 + О2 ^2NO).
Окись азота окисляется кислородом воздуха до дву-
окиси и дает с водой азотную и азотистую кислоты.
Реакция получения окиси азота обратима и может про-
текать как в сторону образования окиси азота, так и в сто-
рону ее распада на азот и кислород.
Наиболее важным условием направления этой реакции
в сторону образования окиси азота является высокая тем-
пература. Установлено, что при температуре в 1500° в
100 объемах воздуха образуется примерно 0,37 объема
окиси азота. При повышении температуры до 3000° коли-
чество окиси азота увеличивается больше, чем в 10 раз и
составляет 4,8 объемных процента.
Выход реакции образования окиси азота зависит и от
соотношения концентрации азота и кислорода в реагирую-
щей смеси. Наиболее благоприятным является такое соот-
ношение, когда на каждую грамм-молекулу азота прихо-
дится одна грамм-молекула кислорода. В этом случае кон-
центрацию окиси азота можно довести до 5,8 процента.
Чтобы получить такое соотношение, воздух необходимо
обогатить кислородом. Однако экономически это нецелесо-
образно, так как расходы, затраченные на обогащение
воздуха кислородом, превышают выгоды, получаемые от
увеличения выхода окиси азота на один процент. Поэтому
при дуговом способе получения окиси азота, как прави-
ло, через электрическую искру пропускают обычный
воздух.
Хотя дуговой метод фиксации атмосферного азота от-
носительно прост, но его применение целесообразно лишь в
странах с очень дешевой гидроэлектроэнергией.
Получение азотных соединений при газификации
и коксовании углей
Еще в начале XIX века, когда было изобретено газовое
освещение, ученые стали искать способ получения искус-
ственного горючего газа из твердого топлива. Вскоре, во-
прос этот был разрешен. Был разработан метод газифи-
кации угля в газогенераторах.
Газогенератор представляет собой колонку, снабжен-
ную внизу колосниковой решеткой. Наверху колонки рас-
73
положены два отверстия. Одно из них служит для загрузки
угля и во время работы газогенератора бывает плотно
закрыто. Через второе отверстие выходят образую-
щиеся газы. Снизу колонки под решетку подают
воздух.
Схема газогенераторной установки для
получения горючего газа из твердого
топлива:
1 — загрузочное отверстие; 2 —твердое топливо;
3 — колосниковая решетка; 4 — отверстие для
подачи воздуха; 5 — выход генераторного газа.
Метод газификации угля основан на том, что при сго-
рании нижних слоев угля образуется углекислый газ и
выделяется теплота (С + О2 = СО2 -I- 9700Э кал.). Нагре-
тый, газ, подымаясь кверху, проходит через все слои угля,
постепенно повышая их температуру. При прохождении
углекислого газа через уголь, температура которого до-
стигла 700°, образуется основной продукт газификации
угля — окись углерода (СО2 -I- С — 2СО).
74
Газ
Яозйу* fQ3
Уже при получении первых кубометров газогенератор-
ного газа оказалось, что он загрязнен частицами угля и
золы, от которых необходимо освободиться. Чтобы очис-
тить газогенераторный газ от механических примесей, его
стали пропускать через воду. Спустя некоторое время,
заметили, что вода, использованная для очистки газа, пах-
нет аммиаком. Выяс-
нилось, что при гази-
фикации угля, наря-
ду с окисью углеро-
да и другими газооб-
разными примесями,
образуется аммиак
(NH3), который при
взаимодействии с во-
дой дает гидрат оки-
си аммония по реак-
ции (NH3 + Н2О
^NH4OH).
Воду с растворен-
ным в ней аммиаком
подвергли количест-
венному анализу и
нашли, что на газо-
вых заводах средний
выход аммиака со-
ставляет около 2—
2,5 килограммов на
каждую тонну пере-
работанного угля.
В дальнейшем был
найден способ увеличения выхода аммиака при газифи-
кации углей.
Было установлено, что если в газогенератор вместе с
воздухом пропускать водяной пар, то качество горючего
газа улучшается за счет появления в нем высококалорий-
ного газа — водорода (4С + О2 Ч- 2Н2О = 4СО + 2Н2).
Одновременно увеличивается выход аммиака.
Во второй половине XIX века аммиак начали улавли-
вать и при коксовании углей.
Кокс представляет собой основной вид топлива при
выплавке чугуна. Он получается в коксовых печах из спе-
75

Схема работы коксовых печей:
1 — камеры с углем; 2 —межкамерные
пространстьа; 3 — отвод коксовых газов.
циальных сортов коксующихся каменных углей при нагре-
вании их без доступа воздуха с постепенным повышением
температуры до 1000°.
В современных коксовых печах из одной тонны камен-
ного угля получают около 750 килограммов кокса,
300 кубических метров коксового газа, 35 килограммов
каменноугольной смолы, 12 килограммов бензола и 3 ки-
лограмма аммиака.
В начале XX’ века был разработан ' промышленный
способ окисления аммиака до азотной кислоты.
С этого времени производство азотной кислоты в Рос-
сии было налажено почти на всех коксовых заводах.
Несмотря на то, что металлургическая промышленность,
а вместе с ней и коксо-химическая бурно развивались,
количество получаемой азотной кислоты далеко не удо-
влетворяло растущего спроса на нее.
Цианамидный метод фиксации азота
В конце XIX века ученые открыли еще один довольно
простой способ фиксации азота. Было обнаружено, что
чистый газообразный азот, пропущенный над раскален-
ным карбидом кальция (СаС2), дает так называемый
цианамид кальция — соединение, включающее в себя,
кроме азота, кальций и углерод (СаС2 + N2 =
-CaCN2 + C).
Цианамид кальция — это продукт, из которого срав-
нительно легко получается аммиак, а при последующей
переработке азотная кислота и другие азотсодержащие
соединения. Кроме того, цианамид кальция оказался хо-
рошим азотным удобрением.
Когда спрос на азотную кислоту и азотные удобрения
сильно вырос, цианамидный метод фиксации азота при-
влек к себе большое внимание. В сравнительно короткий
промежуток времени, с 1905 по 1910 год, был разработан
технический способ получения цианамида кальция.
Основными продуктами, необходимыми для производ-
ства цианамида кальция, являются чистый газообразный
азот и карбид кальция.
К этому времени производство карбида кальция было
уже достаточно хорошо изучено, так как он имеет боль-
шое самостоятельное значение в технике. При взаимо-
действии карбида кальция с водой выделяется газообраз-
76
ный продукт — ацетилен (С2Н2)‘, а в аппарате остается
гашеная известь (СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са (ОН) 2).
Ацетилен широко применяется для автогенной сварки
и резки металла. Кроме того, он служит важным сырьем
для производства синтетического каучука и многих дру-
гих органических веществ.
Карбид кальция получают в электродуговой печи,
куда загружают смешанные между собою куски извести
и кокса. При температуре около 2500° углерод соединяет-
ся с кальцием, образуя карбид кальция и окись углерода
(СаО + ЗС = СаС2 + СО). В печи карбид кальция на-
капливается в виде расплавленной массы, которую выли-
вают в формы — изложницы.
Поскольку цианамид кальция получают при взаимо-
действии газообразного азота с твердым карбидом каль-
ция, естественно, для более полного протекания реакции
необходимо, чтобы площадь соприкосновения этих двух
реагирующих веществ была максимальной. Поэтому кар-
бид кальция дробят и размалывают до тонкого порош-
ка в специальных шаровых мельницах. В качестве ката-
лизатора, ускоряющего процесс азотирования — присоеди-
нения азота, к карбиду кальция добавляют 2—3 процента
плавикового шпата (CaF2) и другие соединения.
Приготовленная смесь — карбидная шихта — загру-
жается в цианамидную печь, через которую пропускают
чистый азот. Для того чтобы началась реакция, содержи-
мое печи подогревают до температуры 1000—1100°. Об-
разование цианамида кальция идет с большим выделе-
нием теплоты, которой достаточно для поддержания -в печи
нужной температуры, поэтому вскоре после начала реак-
ции подогрев выключают. В результате пылевидный
карбид кальция превращается в твердую, темную массу —
цианамид кальция, коюрую переносят для охлаждения в
специальное помещение.
Остывшие блоки дробят, а затем размалывают в циан-
амидных мельницах. Размолотый цианамид кальция
обрабатывают водой и паром под большим давлением,
при этом из азота, входящего в состав цианамида каль-
ция, и водорода воды образуется аммиак.
Во время первой мировой войны цианамидный способ
фиксации азота широко применялся в разных странах, но
и он вскоре был вытеснен более экономичным методом
77
фиксации атмосферного азота — синтезом аммиака из
элементов.
Метод фиксации атмосферного азота с образованием
аммиака появился в 1913 году и быстро завоевал веду-
щее место в азотной промышленности.
Так как исходными веществами этого широко распро-
страненного метода получения связанного азота являются
азот и водород, необходимо ознакомиться со способами
их получения.
Получение азота и водорода
Воздух как неисчерпаемый источник промышленного
азота долгое время оставался неиспользованным. Объяс-
няется это тем, что разделение воздуха на азот, кислород
и другие газы представляло большие трудности. Основная
причина заключалась в том, что азот, который занимает
4/s объема воздуха, как правило, не вступает в соединение
с другими элементами.
Можно было бы пойти по другому пути — вместо фик-
сации азота связать кислород, который легко вступает в
соединения со многими элементами, встречающимися в
природе. Азот в этом случае остался бы в газообразном
состоянии. Но этот дорогой и мало производительный
метод не мог служить источником азота для промышлен-
ных целей.
По аналогии с методом разделения жидкости полага-
ли, что самым рациональным способом разделения воз-
духа является его ожижение с последующим испарением
каждого газа в отдельности. Но получить жидкий воздух
долгое время не удавалось.
Давно известно, что при повышенном давлении неко-
торые газы переходят в жидкое состояние. Так получали
жидкую углекислоту из углекислого газа, который даже
при повышенной температуре ожижается при давлении в
68,9 атмосферы, или жидкий хлср, образующийся из га-
зообразного хлора при 76,1 атмосферы. Можно было
предположить, что и воздух удастся перевести в жидкое
состояние при повышенном давлении. По этому пути и
пошли ученые середины прошлого века, заинтересовав-
шиеся проблемой разделения воздуха на его составные
части. Начали с давления, при котором сжижается угле-
кислый газ, затем перешли к более высоким давлениям,
78
но воздух не сжижался. Вскоре достигли давления в
120 атмосфер, но и это не привело к положительным
результатам. Надежды на то, что следующие 5—10 атмо-
сфер явятся решающими, стимулировали изобретение все
новых и новых средств повышения давления.
Были созданы специальные мощные компрессоры, при
помощи которых было достигнуто давление до 200 атмо-
сфер, но и при этом давлении не удалось получить жид-
кий воздух.
Некоторые ученые стали понимать, что путь, по кото-
рому они пошли, не может привести их к решению по-
ставленной задачи.
Вопросом ожижения газов заинтересовался Д. И. Мен-
делеев. Однако, прежде чем перейти к опытам по ожи-
жению воздуха, он начал изучать газы, которые удавалось
сравнительно легко перевести в жидкое состояние.
Тщательно изучая условия перехода газообразных
веществ в жидкость, Д. И. Менделеев нашел, что каждый
газ сжижается лишь ниже определенной температуры.
Он назвал эту температуру критической, то есть такой,
выше которой нельзя добиться ожижения газа даже при
очень высоких давлениях.
В дальнейшем выяснилось, что критическая темпера-
тура для азота составляет — 147°, для кислорода — 119°,
а для воздуха— 141°. Каждый газ имеет не только свою
критическую температуру, но и свое критическое давле-
ние, ниже которого газ, охлажденный до своей крити-
ческой температуры, не переходит в жидкость. Для азота
это давление составляет 33,5 атмосферы, для кислорода
49,7, а для воздуха 37,2.
После этого открытая стало понятно, почему 'много-
летние труды ученых остались бесплодными. Чтобы полу-
чить жидкий воздух, необходимо было температуру газо-
образного воздуха понизить до —141°, а давление поднять
до 37,2 атмосферы. При более высокой температуре, как
бы велико ни было давление, получить жидкий воздух
нельзя. Но при более низкой температуре можно ожи-
жить воздух и при меньшем давлении. Например, если
охладить воздух до температуры — 195°, то он перейдет
в жидкое состояние и при атмосферном давлении.
Еще в 60—70-х годах прошлого столетия умели приго-
товлять различные жидкие охлаждающие смеси, но
79
температуру этих смесей не удавалось понизить больше,
чем на 70—80° ниже нуля.-Перед учеными встала задача
найти способ охлаждения газов до более низких темпе-
ратур.
Давно было замечено, что если быстро сжать газ, то
он нагревается, а при быстром ert> расширении — охлаж-
дается.
В настоящее время ученые объясняют нагревание газа
при его сжатии тем, что с уменьшением объема газа его
молекулы настолько близко подходят друг к другу, что
между ними начинают действовать силы притяжения. Под
действием этих сил молекулы еще больше сближаются,
теряя при этом часть своей внутренней энергии. Эта
энергия идет на повышение температуры сжатого газа.
При быстром расширении сжатого газа объем его уве-
личивается, молекулы газа «стремятся» отойти друг от
друга, но силы притяжения препятствуют этому. На прео-
доление сил притяжения молекулам необходима энергия,
которую они черпают за счет тепловой энергии газа, при
этом температура расширяющегося газа понижается. Чем
выше давление сжатого газа, тем расстояние между моле-
кулами становится меньше, тем больше энергии нужно за-
тратить на отрыв их друг от друга и тем сильнее понизит-
ся температура при расширении газа.
Принято считать, что при понижении давления газа на
одну атмосферу, в среднем температура его понижается
на V4 градуса. Следовательно, если газ, сжатый до 200
атмосфер, пропустить через узкую щель дроссельного
вентиля и снизить его давление до одной атмосферы, то
температура газа понизится на 50°. При температуре
сжатого газа в 0° температура газа, расширенного от 200
до одной атмосферы, окажется —50°. Если же сжатый
воздух охладить до —150°, то при быстром его расшире-
нии он приобретет температуру, при которой перейдет в
жидкое состояние даже при атмосферном давлении.
Как же охладить сжатый газ до таких низких темпе-
ратур?
Чтобы охладить тело, его нужно привести в соприкос-
новение с другим более холодным телом и чем больше
будет разница в начальных температурах этих тел, тем
больше теплоты перейдет от более нагретого тела к менее
нагретому, тем больше будет теплообмен.
80
Приборы, в которых происходит обмен тепла, называ-
ются теплообменниками.
Простейший теплообменник можно изготовить, помес-
тив одну металлическую трубку в другую, большего диа
метра. Если по наружной
трубке снизу медленно
пропускать холодный воз-
дух,- а по внутренней на-
встречу ему теплый, то за
время прохождения через
трубку холодный воздух
нагреется, а теплый охла-
дится. Чем длиннее путь,
по которому проходят
газы, или чем больше пло-
щадь стенок, омываемых
газом, тем полнее будет
теплообмен. Для этого из-
готовляют такие теплооб-
менники, у которых внут-
ренняя трубка выполнена
в виде спирали или заме-
нена на большое количе-
ство трубок малого диа-
метра. Внутренние трубки
обычно изготовляют из ме-
ди, обладающей высокой
теплопроводностью, а на-
ружную трубку покрывают
теплоизоляционным мате-
Простейший тип теплообменника:
1 — внутренняя трубка — спираль;
2 — внешняя трубка, 3 — теплоизоляци-
онный материал.
риалом, который предохраняет ее от обмена теплоты с ок-
ружающей средой.
Если в хорошем теплообменнике сверху по внутренней
трубке пустить воздух с температурой 20°, то выходящий
наверху из наружной трубки газ будет иметь примерно
такую же температуру, даже в случае, если при входе
снизу температура его была на 180° ниже нуля. Выходя-
щий внизу воздух охладится в теплообменнике с 20° до
температуры, близкой к— 180°, отдав свою теплоту иду-
щему навстречу газу.
Жидкий воздух был 'впервые получен в 80-х го-
дах прошлого столетия.
6 В. И. Медведовский
81
Первая установка для ожижения йоздуха в принципе
ничем не отличалась от современных.
Сжатый до 200 атмосфер газ непрерывно пропускали
через простой холодильник, охлаждаемый проточной во-
дой. Проходя через трубки, омываемые снаружи водой,
Схема работы установки по ожижению воздуха:
/ — компрессор; 2 — водяной холодильник; 3 — теп-
лообменник; 4 — расширительный или дроссельный»
вентиль; 5 — ожижитель; 6 — сливной кран.
сжатый газ отдавал часть своей теплоты и охлаждался до
температуры 10—20°. С такой температурой он поступал
в теплообменник. Так как вначале теплообменник еще
ничем не охлаждался, то газ проходил через него с неиз-
менной температурой. Из теплообменника газ поступал в
дроссельный вентиль, где он расширялся. Давление газа
резко падало и температура понижалась. После дроссель-
ного вентиля газ попадал в камеру-ожижитель, откуда
его направляли в атмосферу через теплообменник. С это-
го момента начиналась работа теплообменника.
82
Сжатый воздух, проходя через теплообменник, отдавал
свою теплоту идущему навстречу холодному газу, который
уходил в атмосферу. Охлажденный воздух проходил через
дроссельный вентиль, где его температура еще больше
понижалась. Более холодный газ по пути в атмосферу
сильнее охлаждал в теплообменнике идущие ему навстре-
чу новые порции сжатого воздуха, которые при расшире-
нии приобретали еще более низкую температуру. Итак,
автоматически температура воздуха, входящего в дрос-
сельный вентиль, все больше и больше понижалась. На-
конец, наступал момент, когда при расширении часть
воздуха переходила в жидкое состояние. Жидкий воздух
собирали в ожижителе.
Эта установка проработала недолго, так как давление
газа, выходящего из компрессора, стало постепенно па-
дать. При обследовании обнаружили, что на трущихся
частях компрессора появились глубокие царапины, а меж-
ду поршнем и стенками цилиндра образовался недопусти-
мый зазор. Такой быстрый износ основных частей ком-
прессора произошел вследствие попадания в него вместе
с воздухом твердых частиц угля и песка, содержание
которых в одном кубическом метре городского воздуха
доходит до 0,01 грамма.
Для очистки воздуха от механических примесей на
всасывающей трубе компрессора был установлен фильтр.
Через некоторое время в установках по получению
жидкого воздуха выявились, однако, новые неполадки.
Внутренние трубки теплообменника закупорились на-
столько, что стали непроходимы для сжатого воздуха.
Пришлось разобрать теплообменник. Внутри трубок на их
стенках обнаружили лед. Он образовался из паров воды,
поступающих вместе с воздухом. При низкой темпера-
туре влага постепенно вымораживалась, образуя слой
льда, который в конце концов забил проходы теплооб-
менника. Анализ воздуха показал, что содержание влаги
в одном кубическом метре воздуха при температуре —30°
составляет примерно 0,1 грамма, а при 30° — около
30 граммов. Стало ясно, что без предварительной осушки
воздуха невозможна нормальная работа установок по
получению жидких газов.
Но как освободить воздух от влаги? Прежде всего
стали искать вещества, способные за время прохождения
6*	83
через них воздуха впитать все имеющиеся в нем пары во-
ды. Кроме того, эти вещества должны были обладать еще
одним свойством: после просушки легко восстанавливать
свою способность вновь поглощать влагу. Было испытано
много различных веществ; лучшими оказались силикагель
и глинозем. Их загрузили в высокие колонки и через
них пропускали воздух. За время прохождения через ко-
лонку, наполненную силикагелем или глиноземом, воздух
практически полностью осушался. После того как сили-
кагель или глинозем переставали поглощать влагу, их
высушивали и снова загружали в колонки. В осуши-
тельные колонны можно также загружать каустическую
соду, прокаленный хлористый кальций или едкий натр.
Но наиболее надежным способом осушки воздуха
является вымораживание влаги в специальных ло-
вушках.
В настоящее время почти на всех крупных установках
по ожижению воздуха осушка его производится охлаж-
дением воздуха до температуры примерно —40°. Пары
воды конденсируются и, вымораживаясь, остаются в ло-
вушке в виде снега и льда. Когда в ловушке накапливается
много льда, воздух переключают на другую ловушку, а
первую нагревают. Лед тает, и <воду выпускают из нее
через сливной кран.
Можно было предположить, что после очистки воздуха
от пыли и осушки его ничто не может помешать нормаль-
ной работе установки по ожижению воздуха. Однако на-
дежды не оправдались. Через некоторое время установка
снова вышла из строя. Узкие проходы в теплообменнике
вновь оказались закупоренными. Теплообменник был
разобран, тщательно проверен, но в трубках ничего не
обнаружили. Установку собрали и запустили снова. Через
некоторое время непонятное явление повторилось. Уста-
новку опять разобрали, но на этот раз значительно быст-
рее, чем в первый раз, и из трубок на стол вывалились
цилиндрические ледяные столбики, которые постепенно
«таяли», не оставляя после себя никаких следов. Один из
кусочков льда попал на лист бумаги, лед исчез, а бумага
осталась такой же сухой и чистой, как и была. Это была
твердая двуокись углерода (СО2).
В воздухе содержится около 0,03 объемных процента
углекислого газа. При температуре —78,5° и 'атмосфер-
84
ном давлении или при давлении в 60 атмосфер и комнат-
ной температуре углекислый газ из газообразного состоя-
ния переходит в жидкое. При дальнейшем охлаждении
жидкий углекислый газ превращается в твердую снего-
образную массу. За свое свойство переходить в газообраз-
ное состояние, не оставляя после себя никаких следов,
твердый углекислый газ получил название сухого льда.
Сухой лед имеет более низкую температуру, чем обычный
лед, и широко применяется в пищевой промышленности
для сохранения продуктов от порчи.
Хотя углекислого газа в одном литре воздуха всего
лишь 0,3 кубического сантиметра, но для нормальной
работы установки по получению жидкого воздуха необхо-
димо предварительно очистить воздух и от углекислого
газа.
После долгих экспериментов было найдено, что луч-
шим веществом, поглощающим углекислый газ, является
щелочь. Заливая водный раствор щелочи в высокую
колонку, снизу в нее пускают воздух. За время прохожде-
ния воздуха через слой жидкости он полностью освобож-
дается от углекислого газа, который вступает в соедине-
ние со щелочью, образуя растворимую углекислую соль.
Когда большая часть щелочи в колонке израсходуется,
ее заменяют свежим раствором. Чтобы не останавливать
работу установки, воздух временно переключают на дру-
гую запасную колонку.
Продолжительное время жидкий воздух получали в
установках, работающих по описанному циклу, который в
технике носит название холодильного цикла с дроссели-
рованием. Хотя этот цикл прост по своему устройству, но
он малоэкономичен, так как только 5 процентов от всего
пропускаемого через систему воздуха переходит в жидкое
состояние, остальные 95 процентов газа, охладив идущий
навстречу сжатый воздух, уходят из теплообменника в
атмосферу. Такой низкий коэффициент полезного дейст-
вия холодильного цикла с дросселированием объясняется
тем, что он обладает малой производительностью холода,
то есть расход энергии на сжатие газа до высокого давле-
ния большой, а снижение температуры при дроссельном
расширении газа невелико.
Ученые стали настойчиво искать более экономичные
способы ожижения воздуха. Опыты показали, что если
85
сжатый воздух расширить в цилиндре поршневого насо-
са — детандере или на лопатках вращающейся части воз-
душной турбинки, заставив его при этом производить
работу, то воздух охладится значительно сильнее, чем при
расширении в дроссельном вентиле, где он никакой рабо-
ты не производит.
Чем больше работы производит газ при своем расши-
рении, тем сильнее понижается его температура. Для
охлаждения газа в детандере не нужны большие давле-
ния, можно обойтись средним давлением в 50—60 атмо-
сфер. При снижении давления от 60 до одной атмосферы
температура газа понижается на 120°.
Таким образом, когда давление газа в детандере сни-
жается на одну атмосферу, температура газа падает на 2°,
или в 8 раз больше, чем в случае дросселирования.
Производительность холодильного цикла с детандером
в 2—3 раза выше производительности цикла с дроссели-
рованием, и из всего воздуха, проходящего через систему,
ожижается не 5 процентов, как при дросселировании, а
10—15 процентов. Затрата энергии на сжатие газа в хо-
лодильном цикле среднего давления приблизительно в
3 раза меньше, чем в установке высокого давления. Уста-
новки с детандером как более производительные и эконо-
мичные все больше и больше вытесняют из производства
жидкого ©оздуха установки с дросселированием.
Схема установки с детандером несколько сложнее
схемы холодильного цикла с дросселированием. Здесь
очищенный от всех примесей воздух поступает в компрес-
сор, где его сжимают до 40—50 атмосфер. Сжатый воздух
направляют в холодильник с проточной водой. После хо-
лодильника весь газ поступает в первый теплообменник,
где идет его дальнейшее охлаждение. Из первого теплооб-
менника сжатый воздух пускают по двум направлениям.
Большая часть воздуха — 70—80 процентов — отводится
в детандер, где он, расширяясь, толкает поршень и, совер-
шая работу, охлаждается. Этот холодный воздух целиком
используется только на охлаждение сжатого воздуха,
поступающего из компрессора. Теплообмен протекает как
во втором, так и в первом теплообменнике, откуда согре-
тый воздух уходит в атмосферу.
Оставшаяся часть сжатого воздуха, 20—30 процентов,
дополнительно охлаждаясь во втором теплообменнике,
поступает в расширительный вентиль, где его температура
еще больше понижается. Достигнув температуры ожиже-
ния, часть воздуха переходит в жидкое состояние. Неожи-
женная часть воздуха через теплообменники выпускается
в атмосферу.
Схема установки по ожижению воздуха
с детандером:
1 — компрессор: 2 — водяной холодильник; 3 — первый теп- .
лообменник; 4— детандер; 5 — второй теплообменник; 6 — рас-
ширительный или дроссельный вентиль; 7 — ожижитель;
8 —сливной кран.
Так, непрерывно, пропуская через установку сжатый
воздух, расширяя и охлаждая его до температуры ожиже-
ния, получают жидкий воздух, который по мере накопле-
ния в ожижителе, сливают через специальный сливной
кран.
В настоящее время разработано и пущено в эксплуа-
тацию много разнообразных, более совершенных устано-
?7
вок, обладающих теми или иными преимуществами перед
описанными выше установками.
Однако самая замечательная из них — это установка
холодильного цикла низкого давления. Способ получения
жидкого воздуха в установках с низким давлением был
сравнительно недавно разработан в одном из институтов
Академии наук СССР и успешно применяется в производ-
стве.
Преимущества этого способа заключаются в том, что
вместо громоздких и дорогостоящих компрессоров для
сжатия воздуха используются дешевые компактные и
чрезвычайно удобные турбовоздуходувки. Охлаждение
воздуха осуществляется в другой турбинке — турбодетан-
дере, где газ, расширяясь на ее лопатках, производит
работу, заставляя турбинку вращаться. Холодильный
цикл с турбодетандером обладает большой производи-
тельностью холода и дает высокий выход жидкого воз-
духа.
Получив жидкий воздух, ученые начали искать способ
его разделения на составные части — азот и кислород.
Они уже знали, что для разделения смеси, состоящей
из нескольких жидкостей с различными температурами
кипения, необходимо медленно отгонять сначала одну из
них, кипящую при более низкой температуре, а затем ту,
температура кипения которой выше.
Такое разделение жидкости носит название дробной
или фракционной перегонки и повседневно применяется
в химических лабораториях и на производстве.
Так, например, на этом принципе основана перегонка
нефти, из которой после отбора низкокипящих фракций
отгоняют сначала бензин, затем — керосин, далее перего-
няют более тяжелый вид топлива, так называемое дизель-
ное топливо, или соляровое масло. В перегонном аппарате
после отгона бензина, керосина и дизельного топлива
остается мазут. При более высокой температуре из мазута
получают различные смазочные масла, а в перегонном
аппарате остается гудрон.
Жидкий воздух представляет собой смесь жидкостей с
различными температурами кипения, и к нему могут быть
применены все законы фракционной перегонки.
Как нам уже известно, температура кипения азота
на 195,8°, а кислорода — на 183° ниже нуля. Чтобы испа-
88
рить азот или кислород, не нужен специальный источник
теплоты. Даже та теплота, которая поступает из окру-
жающего воздуха, вызывает бурное кипение этих жид-
костей.
Чтобы понизить скорость кипения и устранить возмож-
ное одновременное испарение азота и кислорода, необ-
ходимо уменьшить приток теплоты из окружающей
среды.
Азот из жидкого воздуха получают путем медленного
его испарения. Но однократным разделением жидкого воз-
духа нельзя получить чистых продуктов отгона. Даже в
начале процесса, когда в жидком воздухе содержится
78 процентов азота и 21 процент кислорода, полученный
газообразный азот будет содержать примесь кислорода
и чем меньше азота будет оставаться в жидкой смеси, тем
количество примеси кислорода будет больше. Например,
когда в жидкой фазе останется только 50 процентов азота,
то в газообразной фазе, кроме азота, будет содержаться
до 20, процентов кислорода. Поэтому неминуемо повторное
разделение газов, для чего их необходимо снова сконден-
сировать. Но конденсировать азот нецелесообразно, обыч-
но из получаемой смеси газов конденсируют только кис-
лород.
Если газообразный кислород пропустить через жидкий
воздух, он сконденсируется, выделив при этом теплоту в
виде скрытой теплоты конденсации. Теплота, выделенная
при конденсации кислорода, сразу же израсходуется на
испарение азота, температура кипения которого на 12,8°
ниже температуры кипения кислорода. Так как скрытая
теплота конденсации кислорода приблизительно равна
скрытой теплоте испарения азота, то из жидкого воздуха
при пропускании через него кислорода выделится по объ-
ему примерно столько же азота, сколько сконденсируется
кислорода.
Пропуская через жидкий воздух газообразный азот,
содержащий примеси кислорода, можно получить чистый
азот, так как часть газообразного кислорода сконден-
сируется и останется в жидкой фазе. Одновремен-
но из жидкого воздуха дополнительно испарится часть
азота.
На принципе повторной конденсации кислорода с одно-
временным испарением азота из жидкого воздуха основан
89
процесс разделения жидкого воздуха на чистый газообраз-
ный азот и жидкий кислород.
Аппарат, в котором осуще-
ствляется разделение жидкого
воздуха на азот и кислород, на-
зывается ректификационной
колонной, а число ступеней, в
которых конденсируется кисло-
род и испаряется азот, носит
название числа тарелок. Чем
больше тарелок в ректификаци-
онной колонне, тем чище конеч-
ные продукты разделения жид-
кого воздуха на его составные
части.
Ректификационная колонна
состоит из ряда перегородок, в
которые впаяны сливные ста-
каны. В верхнее отделение —
тарелку — медленно подают
ЖИДКИЙ ВОЗДУХ. ПО 'СЛИВНЫМ
стаканам он постепенно стекает
вниз, заполняя все тарелки ко-
лонны.
Перегородки сделаны из ла-
тунного листа, в котором на
расстоянии около 3 миллимет-
ров друг от друга в шахматном
порядке пробиты мелкие отвер-
стия диаметром в 0,8—0,9 мил-
лиметра. Образующийся при
л	(испарении жидкого воздуха га-
Схема ректификационной зообразный азот с примесью ки-
слорода под небольшим давле-
1 — корпус колонны; 2 — ла- г
тунные перегородки; 3 — слив- НИСМ ПрОХОДИТ Через ОТВерСТИЯ
вые стаканы; 4 —сливной кран. в дне тарел0К, Не ДЭВЭЯ ЖИДКО-
СТИ просочиться через них.
Газы, пройдя через слой жидкости, вспенивают ее,
хорошо перемешиваясь с ней. Во время перемешивания
газообразный кислород конденсируется и переходит в
жидкое состояние. За счет теплоты, выделенной при кон-
денсации кислорода, испаряется новая часть азота, кото-
90
рая вместе с поступившим -азотом переходит вверх на
следующую тарелку, где он все больше обедняется кисло-
родом. В результате наверху, на выходе из колонны, по-
лучают чистый газообразный азот, а внизу колонны соби-
рается чистый жидкий кислород.
Полученный азот нагнетают под давлением в 150—
200 атмосфер в стальные баллоны или ожижают для до-
ставки потребителям, использующим азот в небольших
количествах. Предприятия, нуждающиеся в большом коли-
честве азота, производят его на месте в специальных
цехах.
Главными потребителями чистого азота являются за-
воды по производству синтетического аммиака.
На этих же взводах существуют цеха по производству
водорода, который служит вторым основным исходным
сырьем для получения аммиака.
Водород в промышленных масштабах можно получить
многими способами, но наиболее широко распространен-
ный из них — электролитический.
Единственным исходным сырьем для получения водо-
рода электролитическим методом служит вода. Метод
этот основан на том, что через водный раствор щелочи
пропускают постоянный электрический ток. При этом вода
разлагается, и на отрицательном электроде-катоде выде-
ляется водород, а на положительном электроде-аноде
кислород, также являющийся важным промышленным
продуктом.
В настоящее время существуют установки, дающие до
20 000 кубических метров водорода и, соответственно, до
10 000 кубических метров кислорода в час.
Синтез аммиака
Промышленное производство аммиака синтетическим
путем было начато не более сорока лет тому назад. За
этот относительно короткий промежуток времени получе-
ние синтетического аммиака развилось настолько широко,
что по праву занимает одно из первых мест в мировой
химической промышленности.
К моменту окончания первой мировой войны существо-
вали всего лишь два завода по производству аммиака
синтетическим путем. Оба эти завода находились в Гер-
51
мании. Спустя 3—4 года аналогичными или еще более
мощными заводами обладали многие страны, а к 1928 году
по удельному весу производство синтетического аммиака,
исключая СССР, доходило до 40 процентов от мирового
производства азотных соединений.
К началу второй мировой войны в капиталистических
странах уже насчитывалось более 100 заводов по произ-
водству синтетического аммиака, способных переработать
до 3 миллионов тонн азота в год, что составляло свыше
65 процентов мощности азотной промышленности этих
стран.
За годы второй мировой войны число заводов по про-
изводству синтетического аммиака еще больше выросло.
В настоящее время мировая азотная промышленность без
СССР способна ежегодно выпускать такое количество
продукции, на производство которой потребовалось бы
до 5,5 миллиона тонн азота. Около 75 процентов всей мощ-
ности азотной промышленности составляют заводы синте-
тического аммиака.
Существуют различные системы установок по получе-
нию аммиака синтетическим путем. Большинство крупных
заводов сами обеспечивают свою потребность в азоте и
водороде. Азот получают исключительно из воздуха, ме-
тодом его ожижения с последующей ректификацией. Во-
дород получают различными путями в зависимости от
энергетических и географических условий.
В местах, богатых гидроэлектроэнергией, водород по-
лучают электролитическим путем. В районах, богатых
угольными месторождениями и с развитой коксохимиче-
ской промышленностью, пользуются или методом получе-
ния водорода из водяного газа, или из коксового газа
путем его глубокого охлаждения.
Реакция получения аммиака из азота и водорода про-
текает обратимо (N2 + 3H2^2NH3).
Когда соотношение исходных и конечных продуктов
обратимой реакции остается неизменным, говорят, что
система находится в равновесии. Это не означает, что
реакция приостановилась и что исходные продукты боль-
ше не реагируют между собой. Условия равновесия ука-
зывают лишь на то, что одновременно с образованием
продуктов реакции идет и их распад и что скорость пря-
мого и обратного процессов одинакова.
92
Чтобы сместить равновесие в ту или иную сторону,
необходимо изменить условия реакции.
Процентное содержание аммиака в равновесней смеси
будет зависеть от температуры и давления.
Из уравнения реакции видно, что на получение двух
молекул аммиака расходуются одна молекула азота и три
молекулы водорода, то есть процесс идет с уменьшением
объема. С другой сторснны, синтез аммиака сопровож-
дается выделением тепла.
Если смесь одного объема азота и трех объемов водо-
рода пропустить через контактный аппарат, то при темпе-
ратуре 200° и давлении в 10 атмосфер, на выходе из аппа-
рата, в газовой смеси будет содержаться 50,66 объемных
процента аммиака. Остальной газ будет состоять из
непрореагировавших азота и водорода, которые нахо-
дятся в равновесии с аммиаком.
Если при той же температуре в 200° повысить давле-
ние с 10 до 100 атмосфер, то равновесная концентрация
аммиака будет составлять уже 81,54 объемных процента,
а при давлении в 1000 атмосфер — 98,29. Итак, с повыше-
нием давления равновесие сдвигается в сторону образова-
ния аммиака, и выход его увеличивается.
Посмотрим, как сдвинется равновесие с изменением
температуры при постоянном давлении. Если при давле-
нии в 1000 атмосфер температуру поднять до 500°, содер-
жание аммиака при равновесии упадет до 57,47 объемных
процента, а при температуре в 700° содержание аммиака
составит всего лишь 12,87 процента по объему.
Таким образом, для повышения выхода аммиака,т. е.
процентного содержания его в газах, выходящих из кон-
тактного аппарата, следовало бы повышать давление и
понижать температуру.
Для технологии производства того или иного продукта
важен, однако, не только высокий выход, но и большая
скорость реакции.
Иными словами важно, чтобы азотно-водородную смесь
можно было пропускать через контактный аппарат с боль-
шей скоростью и чтобы за время ее прохождения через
аппарат прореагировало возможно большее количество
смеси.
Оказывается, что при температурах в 200—250° для
достижения равновесия газы нужно пропускать через
93
аппарат значительно медленнее, чем при более высокой
температуре, и что повышение температуры до определен-
ных пределов выгодно сказывается на скорости процесса
образования аммиака, так как за одну минуту или час его
образуется больше, чем при пониженных температурах.
В связи с этим синтез аммиака обычно ведут при высоких
давлениях и при средних температурах в 450—550°. Тем
не менее даже при наиболее выгодных условиях реакция
образования аммиака не идет без катализатора. Многие
вещества ускоряют реакцию синтеза аммиака, но боль-
шинство из них не удовлетворяет требованиям, предъяв-
ляемым к промышленным катализаторам.
Промышленный катализатор должен быть активным,
устойчивым и дешевым.
Особенно большие требования предъявляются к устой-
чивости катализатора. Многие катализаторы, используе-
мые для ускорения реакции синтеза аммиака, быстро
отравляются даже при наличии ничтожных следов так
называемых контактных ядов. К таким ядам относятся
сернистые соединения, например, сероводород; кислород-
содержащие соединения — окись углерода и пары воды,
а также свободный кислород.
Присутствие в азото-водородной смеси от 3 до 5 тысяч-
ных процента кислородсодержащих соединений уже ска-
зывается на активности катализатора, снижая выход ам-
миака.
Очистка газовой смеси от незначительных количеств
контактных ядов сложна и трудна. Поэтому ученые и
практики стремятся найти такой катализатор, который
долгое время не терял бы своей активности при работе в
присутствии следов контактных ядов.
В промышленности синтеза -аммиака в качестве ката-
лизатора часто применяют мелко раздробленное метал-
лическое железо с небольшой примесью окислов некото-
рых металлов.
Катализатор загружают в контактный аппарат — тол-
стостенный цилиндр, изготовленный из высококачествен-
ной стали. Высота корпуса контактного аппарата у раз-
личных систем разная и у некоторых достигает 13—15 мет-
ров. Диаметр корпуса аппарата бывает от 0,7 до одного
метра, а толщина стенок составляет примерно 175 милли-
метров.
94
Газовая смесь азота с водородом с соотношением
объемов 1 : 3 под соответствующим давлением подается
в аппарат. В начале работы аппарата газы подогревают-
ся до нужной темпе-
ратуры. Так как об-
разование аммиака
идет с выделением
теплоты, то в даль-
нейшем необходимая
температура поддер-
живается за счет
теплоты самой реак-
ции.
Прореагировавшие
горячие газы, содер-
жащие аммиак и не-
которое количество
азота и водорода, пе-
ред выходом из ап-
парата направляют-
ся в теплообменник,
где они отдают свою
теплоту идущим на-
встречу свежим пор-
циям холодной смеси
азота с водородом.
Подогретая до нуж-
ной температуры, га-
зовая смесь поступа-
ет в катализаторную
коробку, где проте-
кает основной про-
цесс образования ам-
миака.
Существующие в
настоящее время си-
стемы контактных ап-
паратов можно раз-
Схема контактного аппарата для
синтеза аммиака:
1 — корпус; 2 —изоляция; 3 — катализа-
торная коробка; 4 — теплообменник.
делить на три труп-
пы: системы низкого давления в 100 атмосфер, работаю-
щие при температуре 400°; системы среднего давления в
250—300 атмосфер, температура 475—550°; системы
95
высокого давления в 750—1000 атмосфер, работаю-
щие при температурах в 500—600°. В этих системах при-
меняются различные катализаторы и каждая из них обла-
дает своими преимуществами и недостатками.
Наибольшее распространение получили контактные
аппараты средних давлений. Однако независимо от того,
какой контактный аппарат применяется в установке по
производству синтетического аммиака, принципиальные
схемы различных установок мало отличаются друг от
Друга.
Для получения аммиака синтетическим путем необхо-
димо прежде всего составить смесь из одной объемной
части азота и трех объемных частей водорода. Газовые
смеси составляются в специальных цехах, где азот и
водород предварительно очищают от вредных примесей.
Готовую смесь по трубопроводам направляют в комп-
рессорную и в многоступенчатых компрессорах сжимают
до нужного давления. В цилиндрах компрессоров газы
загрязняются маслом, поэтому перед контактным аппара-
том устанавливают маслоотделители и специальные
фильтры. Очищенные от масла газы содержат в себе еще
незначительные примеси окиси углерода и кислорода.
Пустить такую смесь в контактный аппарат значит заве-
домо отравить катализатор и снизить производительность
аппарата. *
Для тонкой очистки газов от ядов их обыкновенно
пропускают через колонку предкатализа, где в присут-
ствии специального катализатора между окисью углерода
и водородом протекает реакция, в результате которой
образуются метан и вода (СО + ЗН2==СН4 + Н2О). Кисло-
род в свою очередь соединяется с водородом и образует
воду (О2 + 2Н2 = 2Н2О).
Метан, полученный в колонне предкатализа, не отрав-
ляет катализатора, но наличие его в больших количествах
вредно отражается на работе катализатора, поэтому
необходимо, чтобы в газах, поступающих в колонну
предкатализа, 'содержание окиси углерода было мини-
мальным.
Существуют и другие методы тонкой очистки азото-
водородной смеси от ядов. Некоторые из них осуществляют
в цехах, где составляют смесь, другие в цехах катализа.
Очищенная смесь поступает в контактный аппарат.
96
Даже при самых благоприятных условиях синтеза в
контактном аппарате нельзя достигнуть 100-процентного
превращения газов в аммиак, поэтому в выходящих газах
наряду с аммиаком всегда содержится некоторое количе-
ство азота и водорода.
Схема установки для получения синтетического аммиака:
1 — компрессор; 2 — маслоотделитель; 3 — колонна предкатализа; 4 — водя-
ной холодильник; 5 — водоотделитель; 6 — испаритель; 7 — конденсационная
колонна; 8 — колонна синтеза аммиака; 9 — водяной холодильник;
10 — сепаратор; 11 — циркуляционный насос; 12 — маслоотделитель.
Смесь газов, выходящих из контактного аппарата, про-
пускают через ряд холодильников, где газообразный ам-
миак переводится в жидкое состояние. Жидкий аммиак
отделяют в сепараторах, а оставшиеся газы добавляют к
свежим порциям азото-водородной смеси и снова направ-
ляют в контактный аппарат.
Получение синтетической азотной кислоты
Развитие промышленности синтетического аммиака по-
влекло за собой освоение новых методов производства
многих азотных соединений. Среди них первое место за-
нимает синтетическая азотная кислота — важнейший про-
дукт основной химической промышленности. Азотная
7 В. И. Медведовский
кислота необходима для получения азотных удобрений.
Без азотной кислоты не могут работать фабрики по произ-
водству искусственного волокна, и готовые ткани не могут
быть окрашены в нужные цвета. Производство специаль-
ных сталей, фотокинопленочная промышленность, произ-
водство пластических масс не могут обойтись без азотной
кислоты. Многие лекарственные препараты готовятся при
помощи азотной кислоты. И, наконец, оборонная мощь
государства во многом зависит от уровня развития про-
мышленности синтетической азотной кислоты, необходи-
мой для производства взрывчатых веществ.
Уже этого краткого перечня отраслей промышленности,
нуждающихся в азотной кислоте, достаточно, чтобы по-
нять, почему вопросы получения синтетической азотной
кислоты привлекли к себе внимание многих мировых уче-
ных и почему одновременно с разработкой методов полу-
чения синтетического аммиака разрабатывались способы
его окисления до азотной кислоты.
Пионерами контактного способа окисления аммиака
до азотной кислоты являются русские инженеры И. И. Анд-
реев и Н. М. Кулепетав. Разработав в лаборатории метод
окисления аммиака и испытав его на опытной аппаратуре,
они составили проект промышленной установки по про-
изводству азотной кислоты из аммиака, получаемого в
коксовых печах металлургических заводов.
По их проекту в 1916 году был построен азотный завод
в Макеевке, а в 1917 году — более мощный завод в Юзовке
(ныне гор. Сталино).
Одновременно вопросами производства азотной кис-
лоты из аммиака, получаемого при коксовании углей, за-
нимались и за границей. Когда проект установки Андреева
и Кулепетова был готов, иностранные специалисты пред-
ложили России разработанный ими метод окисления ам-
миака, однако предложение это было отклонено, ибо
отечественный способ оказался более совершенным и эко-
номически более выгодным.
Из первых же лабораторных исследований стало ясно,
что окисление аммиака представляет собой довольно
сложный химический процесс, который в зависимости от
условий может протекать в различных направлениях.
Одно из таких направлений реакции — образование
окисй азота (4МНз + 5О2 = 4МО + 6Н2О + 216640 кал.).
98
Окись азота легко окисляется до двуокиси азота (2NO +
+ O2 = 2NO2), последняя при взаимодействии с водой, дает
азотную кислоту. Такое направление процесса является
наиболее желательным и чем больше аммиака окислится
до окиси азота, тем рациональнее считается производство
синтетической азотной кислоты.
Но реакция окисления аммиака может протекать и по
другому нежелательному пути, приводящему к образова-
нию молекулярного азота и воды (4NH3+ ЗО2= 2N2 +
~Т6Н2О ~Т303 040 кал.).
Перед учеными встала задача направить реакцию окис-
ления аммиака в сторону образования окиси азота, а реак-
цию окисления его до молекулярного азота и воды довести
до минимума. Решение этой задачи потребовало много
времени и упорного труда. Выяснилось, что образование
окиси азота возможно только в присутствии специальных
катализаторов и в сильной степени зависит от температуры
и скорости прохождения газовой смеси через катализатор.
Окисление аммиака до окиси азота идет с большим
выделением теплоты. Если это тепло не отводить, темпе-
ратура в контактном аппарате сильно повысится. При
температуре выше 900° часть аммиака еще до подхода
к катализатору распадется на азот и водород, часть его
окислится до молекулярного азота и воды и лишь незна-
чительное количество аммиака окислится до окиси азота.
Но даже то небольшое количество окиси азота, которое
образуется при такой высокой температуре, пройдя ката-
лизатор, частично распадается на азот и кислород. Рост
температуры приводит, таким образом, к снижению вы-
хода окиси азота.
В производстве синтетической азотной кислоты при-
меняются различные катализаторы, но наибольший выход
окиси азота дают катализаторы из сплава платины с
родием или иридием. Содержание примеси родия или
иридия колеблется у различных катализаторов от 1 до
10 процентов.
Преимущество платиновых катализаторов заключается
не только в том, что они дают высокий выход окиси азота,
но и в том, что в определенном интервале температур они
довольно устойчивы, не отравляются контактными ядами
и сохраняют свою активность в течение довольно долгого
времени. Платиновые катализаторы легко регенерируются,
7*	9»
то есть в случае потери активности могут быть сравни-
тельно легко восстановлены.
К недостаткам платиновых катализаторов относится их
дороговизна; если бы они не изнашивались, их высокая
стоимость могла бы окупиться
/ _ головка аппарата; 2 — катализатор-
ные сетки; 3 — чаша, охлаждаемая водой;
4 — водяная рубашка.
Схема контактного аппарата для
окисления аммиака:
продолжительностью ра-
боты. Однако -в процес-
се работы платиновый
'сплав становится хруп-
ким и медленно разру-
шается.
Наименьшие потери
платины на одну тонну
100-процентной азотной
кислоты составляют
65 тысячных грамма,
или 65 миллиграммов.
При менее благоприят-
ных условиях потери
платины могут достичь
450 миллиграммов на
тонну азотной кислоты.
Разрушение плати-
нового катализатора
наступает не сразу, а
плавляют. Все же часть платины
лишь спустя некоторое
время после начала его
работы. Чтобы не до-
пустить больших потерь
платины, катализатор
з а б л а гов р ем е нн о п ер е-
уносится из контактного
аппарата и осаждается на стенках газопровода, откуда
ее периодически извлекают.
Платиновые катализаторы изготовляются в виде вол-
нистой или мятой тонкой пластинки, тампона из тонких
нитей диаметром около 0,02 миллиметра или сетки из
нитей диаметром от 0,025 до 0,075 миллиметра с числом
петель от 1000 до 3600 на один квадратный сантиметр.
Чаще всего применяют несколько плоских сеток, располо-
женных параллельно на небольшом расстоянии друг от
друга.
В отличие от ряда других каталитических реакций,
100
окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает
с огромной скоростью, за стотысячные доли секунды.
Ввиду того, что побочные реакции, которые могут проте-
кать на платиновом катализаторе, идут значительно мед-
леннее основного процесса окисления аммиака, газовую
смесь пропускают с такой скоростью, чтобы за время кон-
тактирования ее с катализатором полностью завершился
процесс окисления аммиака, а побочные вредные реакции
не успели осуществиться. Время соприкосновения газовой
смеси с катализатором для различных температур раз-
лично и составляет от 6 стотысячных до 3 десятитысячных
долей секунды. За это время успевает прореагировать ос-
новная масса аммиака с кислородом, и выход окиси азота
достигает в среднем 95 процентов.
Количество получаемой окиси азота зависит не только
от свойств катализатора, температуры и скорости про-
хождения газов через контактный аппарат. Существенную
роль играет исходный состав газовой смеси.
Из уравнения реакции образования окиси азота из
аммиака и .кислорода (4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O) видно,
что на окисление одной грамм-молекулы аммиака до окиси
азота требуется 1,25 грамм-молекулы кислорода. Поэтому
соотношение объемов аммиака к кислороду должно быть
1 : 1,25.
Но опыт показал, что при таком соотношении объемов
исходных газов окиси азота образуется мало. С увеличе-
нием содержания кислорода в смеси выход окиси азота
увеличивается и достигает оптимального значения при
исходной смеси, состоящей из двух объемов кислорода и
одного объема аммиака. Дальнейшее увеличение про-
центного содержания кислорода мало улучшает выход
окиси азота, поэтому на практике обычно пользуются
смесью, в которой отношение объемов аммиака к кисло-
роду равно 1 :2.
Однако известно, что аммиачно-кислородная смесь, 'Со-
держащая больше 20 процентов аммиака, взрывоопасна,
поэтому такую смесь никогда не составляют только из
аммиака и кислорода, а добавляют азот. Как правило,
пользуются воздухом, немного обогащенным кислородом,
и в этом случае смесь содержит приблизительно И про-
центов аммиака и 22 процента кислорода, а остальной
объем занимает азот. Иногда вместо воздуха используют
101
смесь кислорода с водяным паром и количество аммиака
в смеси доводят до 13 процентов. Выход окиси азота для
таких смесей достигает 96 процентов.
Окислением аммиака до окиси азота заканчивается
первая стадия получения синтетической азотной кислоты.
Дальнейшее окисление азота и взаимодействие высших
его окислов с водой относится ко второй стадии.
Высшими окислами азота являются его двуокись
(NO2), трехокись, или азотистый ангидрид- (N2O3) и четы-
рехокись (N2O4).
При повышенных температурах азотистый ангидрид
мало устойчив и распадается на окись и двуокись азота,
а четырехокись азота можно рассматривать как соединен-
ные между собой две молекулы двуокиси’азота (2NO2 =
= N2O4). Таким образом, основным продуктом дальней-
шего окисления азота является его двуокись, реакция об-
разования которой идет с большим выделением теплоты
(2NO + O2 = 2NO2 + 27 ООО кал.).
Экзотермические реакции выгоднее всего вести при по-
ниженных температурах. Это правило применяют и при
получении двуокиси азота.
В течение полувека ученые изучали механизм реакции
окисления окиси азота, ее скорость, условия равновесия
между исходными и конечными продуктами. Много экс-
периментальных данных было накоплено за это время,
но все они оказались настолько противоречивыми, что сде-
лать какой-либо окончательный вывод было невозможно.
Лишь сравнительно недавно выяснилось, что окись
азота непосредственно окисляется до двуокиси, минуя при
этом промежуточные кислородные соединения азота, суще-
ствование которых раньше предполагали.
Если реакцию окисления вести при температуре 100—
150°, она становится практически необратимой, то есть
целиком протекает в сторону образования двуокиси азота.
С повышением температуры реагирующих газов за счет
теплоты самой реакции до 700—800° количество образую-
щейся двуокиси азота становится ничтожно малым, так
как она почти полностью диссоциирует на окись азота и
кислород (2NO2 = 2NO + O2).
В отличие от реакции окисления аммиака до окиси
азота, которая протекает с огромной скоростью, исчисляе-
мой стотысячными долями секунды, реакция окисления
102
окиси азота до двуокиси идет необычайно медленно. Чтобы
достичь равновесия реакции окисления окиси азота до
двуокиси, необходимы десятки минут, а иногда и часы.
Все попытки найти катализатор, ускоряющий эту реак-
цию, пока заканчивались неудачей. В процессе производ-
ства азотной кислоты реакция окисления окиси азота до
двуокиси является самой медленной, поэтому она опреде-
ляет производительность установок по производству синте-
тической азотной кислоты.
Для увеличения производства азотной кислоты необхо-
димо или увеличить объем аппаратов для окисления окиси
азота или увеличить их число.
Существуют установки, в которых окисление протекает
в специальных окислительных башнях. В других системах
окисление производится в аппаратах, где одновременно
осуществляется растворение двуокиси азота в воде. Аппа-
раты эти называются абсорбционными башнями или ко-
лоннами — абсорберами.
Абсорбционные башни, в которых протекает окисление
окиси азота до двуокиси с одновременным поглощением
двуокиси водой, обычно представляют собой цилиндры или
башни от 5 до 12 метров высоты и 2,5—3,5 метра в диа-
метре. Их изготовляют из специальных сортов хромонике-
левой стали, кислотоупорного гранита или железобетона,
облицованного изнутри кислотоупорными плитками.
Двуокись азота, растворяясь в воде, реагирует с ней,
образуя азотную и азотистую кислоты. Эта последняя ста-
дия образования азотной кислоты протекает по реакции
(2NO2 + Н2О = HNO3 + HNO2 + 27 730 кал.).
Азотистая кислота распадается на азотную кислоту,
окись азота и воду. Поэтому в результате двуокись азота,
взаимодействуя с водой, образует только азотную кислоту
и окись азота (3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + 32 520 кал.).
Из уравнения реакции видно, что при образовании
азотной кислоты одна треть азота выделяется в виде газо-
образной окиси, которую снова необходимо направить в
абсорбер.
Как же выглядит упрощенная схема установки по про-
изводству синтетической азотной кислоты?
Чистый, не отравленный газами близлежащих заводов,
воздух освобождают от пыли. Для этого чаще всего его
пропускают через аммиачную воду. Очищенный воздух,
103
несколько обогащенный кислородом, смешивают с аммиа-
ком с таким расчетом, чтобы соотношение объемов ам-
миака к кислороду не превышало 1 : 1,85 или 1 : 2.
Состав газовой смеси регулируется автоматически,
поэтому соотношение объемов газов в ней строго по-
стоянно.
Очищенную газовую смесь направляют в контактный
аппарат. Если катализатором служит сплав платины с ро-
дием или иридием, наиболее благоприятная температура
Упрощенная схема установки для получения синтетической
азотной кислоты:
1 — фильтр для очистки воздуха; 2 — компрессор; 3 — теплообмен-
ник; 4 — смеситель; 5 — контактный аппарат; 6 — паровой котел;
7 — конденсатор и сепаратор; 8 — абсорбционная колонна.
для протекания реакции лежит в пределах 800—900°. Для
поддержания такой температуры теплоты, выделяющейся
npir реакции окисления аммиака, недостаточно, поэтому
газы перед пуском в контактный аппарат необходимо по-
догреть до 300°. Однако аммиак при такой температуре
в присутствии катализатора может частично разлагаться
на азот и водород. Чтобы избежать каталитического раз-
ложения аммиака на металлических стенках трубок тепло-
обменника, где осуществляется подогрев газов, через
теплообменник пропускают только воздух, нагревая его
104
до 350°, а аммиак добавляют к горячему воздуху перед
самым его входом в контактный аппарат.
Из контактного аппарата выходят газы, содержащие
окись азота, азот, кислород и пары воды. Смесь эта носит
название нитрозных газов. Температура нитрозных газов
на выходе из контактного аппарата составляет 800—900°.
Для дальнейшего использования их прежде всего нужно
охладить. Часть теплоты этих газов 'используется в тепло-
обменнике на подогрев воздуха исходной смеси. Другая
часть теплоты утилизируется в паровом котле, где темпе-
ратуру нитрозных газов разрешается понижать только до
135—150°. Объясняется это тем, что при более низких
температурах пары воды, находящиеся в газах, начнут
конденсироваться и растворят образующуюся уже при
этой температуре двуокись азота. Полученная слабая
азотная кислота может постепенно разрушить котел.
Из парового котла газы поступают в конденсатор, где
температура их понижается до 20—30°. Если охлаждение
нитрозных газов вести быстро, то только незначительная
часть окиси азота успеет перейти в двуокись и растворится
в сконденсировавшейся воде, содержащейся в нитрозных
газах. При этом образуется очень слабая азотная кисло-
та, которую отделяют в сепараторе.
Охлажденные нитрозные газы поступают в окислитель-
ную башню или непосредственно в абсорбционные ко-
лонны.
В зависимости от способов производства азотной кис-
лоты абсорберы устанавливают в горизонтальном или
вертикальном положении. Так как процесс окисления
окиси азота идет чрезвычайно медленно, то используют
несколько абсорбционных аппаратов, последовательно
соединенных между собой трубопроводами.
Поступающие в первую абсорбционную башню нитроз-
ные газы просасывают или прогоняют воздуходувками
через все абсорберы. В последнюю башню подается вода.
Нитрозные газы, как правило, поступают в башню снизу,
а распыленная вода сверху.
Поступающая в последний абсорбер вода реагирует
с двуокисью азота и образует слабую азотную кислоту.
Эта кислота идет на орошение газов в предпоследней
башне, из которой она выходит более концентрированной.
Из предпоследней абсорбционной башни азотная кислота
105
идет на орошение газов, поступающих в третий от конца
абсорбер, затем в четвертый, и так, постепенно концентри-
руясь, азотная кислота доходит до первой абсорбционной
башни, откуда выходит готовый продукт.
Нитрозные газы, богатые двуокисью азота, поступая в
первую абсорбционную башню, встречаются с уже доста-
точно концентрированным водным раствором азотной кис-
лоты и, взаимодействуя с ней, сильно обедняются дву-
окисью азота, одновременно обогащаясь.окисью азота, ко-
торая образуется вместе с азотной кислотой. Окись азота,
не успевшая прореагировать двуокись азота, кислород и
молекулярный азот поступают во вторую абсорбционную
башню. До встречи газов с новыми порциями водного
раствора азотной кислоты большая часть окиси азота
окисляется до двуокиси, и процесс взаимодействия с вод-
ным раствором азотной кислоты повторяется. Так систе-
матическим окислением окиси азота и растворением дву-
окиси азота нитрозные газы, проходя через все абсорб-
ционные колонны, все больше и больше обедняются
окислами азота.
Если газы, которые выходят из последней абсорбцион-
ной колонны, содержат 1 —1,5 процента окиси азота, их
используют на получение селитры. Если же количество
окиси азота выше, их опять направляют в первую колонну,
добавляя к свежим нитрозным газам, и снова пропускают
через всю систему.
В процессе производства азотной кислоты ведется
непрерывный контроль за составом газов, температурой в
различных аппаратах системы и концентрацией азотной
кислоты.
Какую же концентрацию азотной кислоты можно полу-
чить на заводских установках?
Не останавливаясь на описании разнообразных уста-
новок, их можно разделить на две группы.
К первой группе относятся установки, работающие по
описанному выше принципу. В них можно получить 50—
60-процентную кислоту. Ко второй группе относятся уста-
новки, в которых получают 95—98-процентную кислоту.
Принципиально процесс получения концентрированной
азотной кислоты ничем не отличается от процесса синтеза
50—60-процентной кислоты. Технически же он более сло-
жен. Сначала получают 60-процентную кислоту. Затем в
106
специальных аппаратах-автоклавах под давлением в 40—
60 атмосфер 50—60-процентную кислоту смешивают с
жидкой четырехокисью азота. Четырехокись азота реаги-
рует с водой, содержащейся в 60-процентной азотной кис-
лоте. В результате получается концентрированная 95—
98-процентная азотная кислота.
В промышленности, однако, предпочитают другой, бо-
лее экономичный способ получения концентрированной
азотной кислоты.
Разбавленные водные растворы солей можно сконцент-
рировать упариванием.
Иное дело с кислотами. Повысить их концентрацию
упариванием можно только в том случае, если температура
кипения кислоты выше температуры кипения воды. Такие
случаи встречаются редко, чаще же температура кипения
кислоты ниже температуры кипения воды. Отгонять воду
из такой кислоты нельзя, но ее можно сконцентрировать
другим путем. Из разбавленного раствора на малом огне
отгоняют кислоту, пары которой конденсируют в холодилы
нике. Конденсат собирают в приемнике, а вода остается
в колбе перегонного аппарата.
Концентрированную 95—98-процентную азотную кис-
лоту нельзя получить ни первым, ни вторым способом,
так как азотная кислота с водой образует так называемую
азеотропную смесь. Азеотропная омесь характеризуется
постоянным составом пара и жидкости при кипении. Та-
ким образом, кипячение азеотропной смеси ни к какому
изменению состава привести не может. Азеотропная смесь
азотной кислоты с водой содержит 68 процентов азотной
кислоты. Если в растворе содержится меньше 68 процен-
тов азотной кислоты, то отгоняется смесь с большим со-
держанием воды, чем в кипящей жидкости. В этом случае
раствор азотной кислоты постепенно концентрируется и
доходит до 68 процентов.
Если же концентрация кипящего раствора азотной кис-
лоты больше 68 процентов, то в отгоняемую жидкость
переходит смесь с большим содержанием азотной кислоты,
чем в исходном растворе. Раствор в колбе перегонного
аппарата будет обедняться кислотой до тех пор, пока ее
концентрация не упадет до 68 процентов.
Для того чтобы получить более концентрированную
азотную кислоту, из ее раствора нужно отнять воду.
107
Хорошим водоотнимающим средством служит серная
кислота. Полученную 50—60-процентную синтетическую
азотную кислоту смешивают с концентрированной 93—
94-процентной серной кислотой (H2SO4) и отгоняют при
температурах от 95 до 135°. Пары азотной кислоты про-
пускают через холодильник, где они конденсируются. Го-
товый продукт содержит от 90 до 97 процентов азотной
кислоты.
Разбавленную водой серную кислоту концентрируют и
снова пускают в производство.
АЗОТ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Возникновение азотной промышленности
Россию считали страной земледелия. Однако по уро-
жайности она занимала одно из последних мест в мире.
«Старая Россия,— говорил академик Д. Н. Прянишни-
ков,— была страной отменно плохого земледелия и толь-
ко потому, что с промышленностью обстояло еще хуже,
приходилось ее называть в относительном смысле стра-
ной земледельческой». Химической же промышленности в
дореволюционной России не было фактически вовсе.
Современное социалистическое сельское хозяйство бла-
годаря достижениям агрономической науки и техники до-
бивается высокой производительности труда. Одной из
причин повышения производительности в области сель-
ского хозяйства является применение минеральных удо-
брений. С другой стороны, огромный спрос на эти удобре-
ния сыграл решающую роль в развитии химической про-
мышленности.
Первыми химическими предприятиями, вошедшими в
строй после Великой Октябрьской социалистической рево-
люции, были заводы синтетического аммиака Черноречен-
ского химического комбината, начавшие работать в
1928 году.
Аммиак, получаемый на этих заводах различными ме-
тодами, служил основой производства азотных удобрений
и ряда других химических продуктов.
Одновременно с завершением строительства заводов
Чернореченского комбината было начато строительство
крупнейшего химического предприятия Советского Сою-
за — Соликамского калийного комбината им. 10-летия
Октябрьской революции.
109
Он был основан на базе крупного Соликамского место-
рождения калийных солей, открытых в 1925 году под руко-
водством академика Н. С. Курнакова.
7 ноября 1927 года, в день 10-й годовщины Великого
Октября, на северном Урале, в лесу, вблизи города Соли-
камска была заложена первая калийная шахта будущего
комбината.
Отсутствие опыта в проходке калийных шахт и нали-
чие водоносных слоев создали огромные трудности в строи-
тельстве. Особенно большие неприятности причиняла
вода. Чем глубже уходили забойщики, тем все больше и
больше воды поступало в шахту и тем тяжелее станови-
лась борьба с ней. Мощные насосы не успевали откачивать
поступающую из горизонтов воду. Приток ее достигал де-
сятков тысяч ведер в час. За полчаса работы в шахте
люди промокали буквально насквозь. Не помогали двой-
ные брезентовые спецовки и мало спасали от «ливня» гор-
няцкие широкополые шляпы. Но несмотря на тяжелые
условия труда работа в шахте не прекращалась ни на ми-
нуту. Промокших рабочих и инженеров сменяли их това-
рищи, едва успевшие высушить свою спецодежду. Усили-
вая откачку воды и борясь с ее притоком путем искус-
ственного замораживания, шаг за шагом продвигались
вглубь строители первенца химического гиганта.
Ровно через пять лет, 7 ноября 1932 года, строитель-
ство и монтаж оборудования первого калийного рудника
были закончены. Одновременно шло строительство заво-
дов комбината и спустя полтора года Постановлением
правительства от 14 марта 1934 года химический комби-
нат был включен в число действующих предприятий Со-
ветского Союза.
Наша страна стала получать различные химические
продукты и минеральные удобрения с отечественных за-
водов. Производство минеральных удобрений еще больше
увеличилось с пуском Березниковского химического ком-
бината.
Огромный опыт, приобретенный советскими специали-
стами на строительстве Соликамского комбината, с первых
же дней сказался на строительстве второго комбината.
В сравнительно короткий срок был воздвигнут еще один
гигант советской химической индустрии — Березниковский
комбинат.
110
Этот комбинат базируется на соликамско-березников-
ских месторождениях поваренной и калийной солей. Он
увязывает в едином производственном цикле целый ком-
плекс отдельных производств. Кроме основного вида про-
дукции — азотных удобрений, комбинат выпускает другие
минеральные удобрения, а также калийные, натриевые и
бариевые соли, всевозможные кислоты, соду, красители и
различные химические продукты. Березниковский хими-
ческий комбинат — поистине гордость советской химиче-
ской индустрии.
Почти одновременно с Березниковским комбинатом в
центре подмосковного каменноугольного бассейна реше-
нием Советского правительства был построен новый хими-
ческий комбинат в Сталиногорске.
Подмосковный бассейн хранит в своих недрах огром-
ные запасы каменного угля, гипса, колчедана и известня-
ков.
Идея строительства Сталиногорского комбината воз-
никла как стремление комплексно использовать природ-
ные сырьевые богатства района.
По своему производственному направлению Сталино-
горский комбинат как бы повторяет Березниковский, но по
технике он более совершенен.
Основным продуктом Сталиногорского химического
комбината является синтетический аммиак и получаемые
из него азотная кислота и азотные удобрения. Сырьем для
производства аммиака служат воздух, вода и уголь. Но
этим не ограничивается производственный ассортимент
комбината. Богатые залежи многообразных солей и глино-
зема используются комбинатом для производства всевоз-
можных алюминиевых солей, карбида кальция, строитель-
ных материалов, сухого льда, пластических масс, анило-
красочных продуктов и целого ряда других химикатов.
Так в годы первой и второй пятилеток по общему
плану развития народного хозяйства были созданы мощ-
ные гиганты химической промышленности.
По мере развития сельского хозяйства список азотно-
туковых предприятий Советского Союза расширялся.
К их числу относятся Горловский химический комбинат,
Азотный ордена Ленина завод им. XVIII съезда ВКП(б),
Днепродзержинский азотно-туковый завод, Азотно-туко-
вый завод им. Ворошилова и др.
Ш
Наряду с развитием азотной промышленности усили-
лась научно-исследовательская деятельность советских
ученых, направленная на решение ряда теоретических
задач, связанных с производством азотных удобрений
и их применением.
Одним из старейших и крупнейших научно-исследова-
тельских институтов химической промышленности нашей
страны является Научный институт по удобрениям и инсек-
тофунгисидам. Ученые этого института проводят широкое
комплексное исследование по всем вопросам, связанным
с удобрениями. Исследования ведутся начиная от изучения
залежей сырья, его технической переработки в удобрения
и кончая наиболее эффективными условиями применения
этих удобрений.
Начало организации этого института относится еще к
1918—1919 годам. Часть его сотрудников принимала дея-
тельное участие в геологических разведках недр Березни-
ков, Соликамска и других месторождений сырья для про-
изводства минеральных удобрений.
Другая группа сотрудников активно участвовала в раз-
работке проектов и в строительстве химических комбина-
тов, внедряя результаты научно-исследовательских работ
в области производства удобрений.
Наконец, третья группа сотрудников, работая на полях
колхозов и совхозов, обучала тружеников сельского хозяй-
ства рациональным методам применения минеральных
удобрений, одновременно обогащая свои знания на прак-
тической работе.
Большое внимание советское правительство уделяло
подготовке научных и технических кадров по химии и
агрохимии.
Весь комплекс широких мероприятий, направленных
нашей партией и правительством на развитие народного
хозяйства страны, а также огромный труд, вложенный со-
ветским народом в осуществление этих мероприятий, по-
зволили запланировать производство удобрений (в пере-
счете на условные единицы) на 1960 год примерно в
20 миллионов тонн, а на 1964 год в 28—30 миллионов тонн.
Производство синтетических азотных удобрений
Какие же азотные удобрения получает наше сельское
хозяйство от промышленности?
112
Туковая промышленность Советского Союза произво-
дит десятки различных сортов азотных удобрений. Наибо-
лее ценные минеральные азотные удобрения, выпускаемые-
промышленностью, можно разделить на 4 группы: амми-
ачные, аммиачно-нитратные, амидные и нитратные.
К первой группе удобрений относят сернокислый и хло-
ристый аммоний. Сернокислый аммоний, или сульфат
аммония [(NH4)2SO4], получают из аммиака и серной
кислоты.
Независимо от того, получают ли аммиак из коксового
газа или синтетическим путем, процесс производства сер-
нокислого аммония сводится к тому, что через раствор
серной кислоты пропускают газообразный аммиак. В ре-
зультате их взаимодействия образуется сернокислый аммо-
ний [2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4], который переходит в
раствор. По мере насыщения раствора из него выпадает
сульфат аммония в виде прозрачных кристаллов ромби-
ческой формы, оседающих на дно сатуратора.
Сатуратор — это аппарат, в котором происходит сме-
шение серной кислоты с газообразным аммиаком. Аммиак
подается в сатуратор снизу под небольшим давлением в
виде мелких пузырьков. Из сатуратора кристаллы сульфа-
та ам'мония поступают в центрифугу, отделяются от маточ-
ного раствора и высушиваются в сушилке. Сухой серно-
кислый аммоний содержит 21 процент азота.
Сульфат аммония относится к физиологически кислым
удобрёниям. Это означает, что растения используют из
сульфата аммония только аммиак, а в почве остается сво-
бодная серная кислота, которая взаимодействует с из-
вестью и образует гипс. Извести в почве постепенно стано-
вится меньше и почва делается более кислой. Подкисление
почвы может привести к понижению урожайности, поэтому
при многолетнем непрерывном применении сульфата ам-
мония почву время от времени необходимо подвергать
известкованию.
Однако при ежегодном внесении в почву сульфата ам-
мония в количестве 100—200 килограммов на один гектар
пахотной земли заметного подкисления почвы в течение
10—15 лет не наблюдается, поэтому его широко приме-
няют как ценное азотное удобрение под такие сельскохо-
зяйственные культуры, как овес, хлопчатник, картофель,
озимая рожь, конопля, капуста и др.
8 В. И. Медведовский	по
Хлористый аммоний или нашатырь (NH4C1) содержит
25 процентов азота и получается различными путями. Ка-
залось бы, что хлористый аммоний проще всего получать
пропусканием газообразного аммиака через раствор соля-
ной кислоты (NH3 + НС1 = NH4CI). Этот способ получе-
ния нашатыря иногда применяется на практике, но он не
дает продукта должного качества и мало экономичен.
Наиболее распространенным методом получения хлори-
стого аммония является его выделение в процессе произ-
водства соды.
При промышленном производстве соды в качестве по-
бочного продукта образуется хлористый аммоний. По-
скольку соль эта содержит много аммиака, ее обрабаты-
вали известью [2NH4C1 + Са(ОН)2 = СаС12 + 2NH3 +
+ 2Н2О] и при нагревании выделяли аммиак, который
вновь пускали на производство соды. Хлористый кальций
как отбросы производства вывозили на свалку.
С развитием промышленности синтетического аммиака
и азотных удобрений процесс регенерации аммиака из
хлористого аммония потерял смысл и превратился в про-
цесс, удорожающий стоимость готовой продукции. Все
чаще стала возникать мысль о необходимости изменения
технологии производства таким образом, чтобы одновре-
менно с содой получать и большие количества хлористого
аммония.
Мысль эту стали постепенно претворять в жизнь и
вместо цеха регенерации аммиака появился цех выделения
хлористого аммония, где на каждую тонну соды начали
получать 500 килограммов хлористого аммония, идущего
на удобрение таких культур, как конопля, овес, озимая
рожь и др.
Агрономический эффект от хлористого аммония при
внесении его под эти культуры несколько превышает тот
эффект, который дает сульфат аммония. Но для карто-
феля, сахарной свеклы, ячменя, лука, капусты это удоб-
рение менее эффективно.
К аммиачно-нитратной группе минеральных азотных
удобрений относятся нитрат аммония (NH4NO3) и нитрат-
сульфат аммония [2NH4NO3 • (NH4)2SO4].
Нитрат аммония — аммиачная селитра, или, как ее
часто называют, амселитра, представляет собой белое
кристаллическое вещество, содержащее 35 процентов
114
азота. Форма кристаллов аммиачной селитры непостоянна.
При разных температурах могут существовать пять раз-
личных кристаллических форм нитрата аммония. У влаж-
ной аммиачной селитры переход из одной кристаллической
формы в другую сопровождается значительным измене-
нием объема. Опыты показали, что если при влажности
соли около 1 процента объем небольшого количества ам-
миачной селитры занимает 200 кубических сантиметров,
то при хранении ее в термостате в течение нескольких
суток при повышенной температуре она переходит в дру-
гую кристаллическую модификацию и несмотря на умень-
шение влажности объем этого же количества аммиачной
селитры увеличивается до 300 кубических сантиметров.
Этим и объясняется, что аммиачная селитра, упакованная
в крафт-целлюлозные мешки, при хранении в условиях из-
меняющейся температуры, разрывает упаковку и «выпол-
зает» наружу.
Как и любое аммиачное соединение, аммиачная селитра
при соприкосновении с воздухом или при слабом нагрева-
нии ее медленно разлагается, поэтому в помещениях,
где хранятся аммиачные соли, обычно пахнет аммиа-
ком.
При нагревании нитрата аммония до 200° он довольно
быстро распадается на закись азота и воду. При более вы-
сокой температуре разложение аммиачной селитры уско-
ряется настолько, что приобретает характер взрыва, при
этом выделяется большое количество тепла и образуется
элементарный азот, кислород и пары воды.
Неправильные условия хранения и обработки аммиач-
ной селитры могут привести к взрыву.
Так, например, в 1921 году на немецком заводе в Оппау
произошел огромный взрыв 3200 тонн смеси сульфата ам-
мония с аммиачной селитрой. Взрыв этот привел к пол-
ному разрушению всех промышленных и жилых построек
в районе радиусом в 4 километра и повлек за собой боль-
шие человеческие жертвы. Другой сильный взрыв аммиач-
ной селитры произошел на крупном химическом заводе
в гор. Гибстауне, на установке по кристаллизации и вы-
парке азотнокислого аммония.
Несмотря на взрывоопасность аммиачной селитры при
соблюдении необходимых условий производства, транспор-
тировки и хранения взрывов удается избежать.
8* 115
После взрыва на химическом заводе в г. Оппау.
У аммиачной селитры есть два существенных недо-
статка.
Твердая аммиачная селитра сильно поглощает влагу из
воздуха и постепенно расплывается.
Она относится к так называемым гигроскопичным со-
лям, и с повышением температуры поглощение влаги ам-
миачной селитрой увеличивается.
Встречаются такие соли, которые неспособны погло-
щать влагу из окружающей атмосферы и остаются отно-
сительно сухими даже при большой влажности воздуха.
Их называют негигроскопичными.
Если негигроскопичные соли смешать с гигроскопич-
ными, то поглощение влаги из воздуха последними умень-
шится.
Чтобы уменьшить гигроскопичность аммиачной силит-
ры, ее смешивают или сплавляют с костяной мукой, хло-
ристым калием, фосфоритами и даже с сульфатом аммо-
ния.
Другое отрицательное свойство аммиачной селитры
заключается в том, что при хранении она теряет свою спо-
собность рассыпаться и 'превращается в твердую массу,
которую с трудом удается разрыхлить. Это явление на-
зывается слеживаемостью. Слежавшуюся соль трудно ис-
пользовать. Она требует предварительного дробления
или размола, что увеличивает стоимость селитры.
Ученые много потрудились над выяснением причин
слеживаемости солей и в частности аммиачной селитры.
Особенно много работ в этой области было проведено в
Научном институте по удобрениям и инсектофунгисидам.
Удалось установить причины, приводящие к слеживаемо-
сти аммиачной селитры, и найти некоторые пути к
их устранению. На основании результатов исследования
по рекомендации института был частично изменен тех-
нологический процесс производства аммаичной селитры.
В настоящее время аммиачную селитру производят пу-
тем непосредственной нейтрализации азотной кислоты га-
зообразным аммиаком (HNO3+ NH3= NH4NO3). Основ-
ным сырьем для производства аммиачной селитры слу-
жат синтетический аммиак и азотная кислота. Иными
словами, аммиачную селитру изготовляют из азота воз-
духа и водорода, полученного из воды.
117
Процесс получения
сводится к следующему. В
Схема установки для получения
гранулированной аммиачной
селитры:
/ — бак для плава селитры; 2 — цент-
робежный гранулятор; 3 — бункеры
для выгрузки гранул; 4 — транспор-
терные ленты.
и основана на том, что из вращающегося барабана-корзи-
ны, у которой сбоку высверлено множество отверстий
диаметром 1,5 миллиметра, разбрызгивается жидкий
плав аммиачной селитры, температура которого в корзине
поддерживается 155°. Разбрызгиваемые капли попадают
в полую башню с более низкой температурой и, остывая,
собираются в нижней ее части. Отсюда транспортерами
гранулы переносятся в сушилку, из которой выходит го-
аммиачной
селитры в принципе
целиндр-нейтрализатор сверху
непрерывно подается 50—
60 - процентная кислота.
Снизу навстречу ей по-
ступает газообразный ам-
миак. В результате их
взаимодействия образует-
ся раствор аммиачной се-
литры, который по трубам
направляют в аппарат
для выпаривания. После
упарки раствор подают в
сборник, где с пониже-
нием температуры раство-
ра из него выпадают
кристаллы азотнокислого
аммония. Аммиачную се-
литру отделяют от маточ-
.ного раствора, а последний
вновь направляют на упар-
ку.
Полученную соль су-
шат и в зависимости от
способа производства ам-
миачной селитры выпу-
. скают в виде кристаллов,
чешуек или гранул — ша
рообразных частиц диа-
метром от 1 до 2 милли
метров.
Грануляция аммиач-
ной селитры производится
на специальной установке
118
товый продукт. Гранулированная аммиачная селитра зна-
чительно меньше слеживается и более удобна для меха-
низированного рассеивания в поле.
По специальному решению химическая промышлен-
ность должна обеспечивать поставку аммиачной селитры
сельскому хозяйству только -в гранулированном виде.
Аммиачная селитра является основным азотным удоб-
рением в нашей стране. Она выгодно отличается от дру-
гих азотных удобрений не только высоким содержанием
азота, но и тем, что в ней совершенно отсутствуют вред-
ные и балластные примеси. Азот в нитрате аммония на-
ходится как в аммиачной, так и в нитратной форме, при-
чем обе эти формы усваиваются растениями, поэтому в
почве не остается никаких веществ, которые бы изменяли
ее физиологические свойства. По своему агрохимическо-
му действию на урожайность растений аммиачная селит-
ра занимает одно из первых мест среди всех азотных удо-
брений и не уступает ни сульфату аммония, ни чилийской
селитре. В нашем сельском хозяйстве аммиачная селитра
уже давно широко применяется в чистом виде; особенно
полезно это удобрение при внесении его под хлопчатник.
Наряду с применением аммиачной селитры в чистом
виде ее используют в смеси с другими удобрениями.
К наиболее распространенным смешанным удобрениям
относится сульфатно-нитратное удобрение, или нитрат-
сульфат аммония.
В промышленности, в зависимости от технологическо-
го процесса, можно получить три различных вида нитрат-
сульфата аммония.
Обычную смесь нитрат-сульфата аммония получают
механическим смешиванием по весу 65 процентов сульфа-
та аммония и 35 процентов нитрата аммония. По другой
технологии сульфат аммония вносят в плав аммиачной
селитры и в результате обработки получают гранулиро-
ванный продукт. По третьему способу производства на-
сыщенные растворы нитрата и сульфата аммония слива-
ют вместе, дополнительным введением аммиака, серной
и азотной кислот осаждают двойную соль, содержащую
64,3 процента сульфата аммония и 35,7 процента нитрата
аммония [2NH4NO3 • (NH^SOJ.
Независимо от вида готовой продукции, если только
нитрат-сульфат аммония поступает для хранения на
119
склад, применяются самые строгие меры предосторожно-
сти для предотвращения взрыва. Все работы по загруз-
ке соли на склад, ее разрыхлению при слеживаемости
•и разгрузке для отправки потребителям механизи-
рованы.
Нитрат-сульфат аммония с успехом применяют почти
под все сельскохозяйственные культуры. Но особенно
большой эффект это удобрение дает при внесении его в
почву под картофель, сахарную и кормовую свеклу и
различные огородные культуры.
Наиболее ценным продуктом амидных удобрений,
которые относятся к третьей группе азотных удобрений,
считается мочевина [(Ь1Н2)2СО]. Мочевина является ко-
нечным продуктом распада белковых веществ в животном
организме.
Открытие мочевины относится к 80-м годам XVII сто-
летия. Спустя примерно полвека была синтезирована ис-
кусственная мочевина из аммиака и циановой кислоты
(HCNO). В дальнейшем было открыто много других спо-
собов ее получения. В чистом виде мочевина представ-
ляет собой тонкие бесцветные кристаллы, не имеющие
запаха.
В настоящее время мочевину получают из аммиака
и двуокиси углерода при температуре 180° и давлении в
200 атмосфер.
В промышленности мочевину выпускают в виде по-
рошка или в виде гранул.
Среди азотных удобрений нет еще пока другого тако-
го удобрения, которое содержало бы больше азота, чем мо-
чевина. В состав мочевины входит 46,7 процента азота.
По содержанию азота 100 килограммам мочевины соот-
ветствуют примерно 300 килограммов чилийской селит-
ры или 225 килограммов сульфата аммония.
Сама мочевина растениями не усваивается. При вне-
сении ее в почву азот под воздействием микроорганизмов
переходит в аммиачную форму, образуя углекислый ам-
моний [CO(NH2)2 + 2Н2О = (МН4)2СОз]. Аммиак угле-
кислого аммония усваивается растениями так же, как и
аммиак азотнокислого или сернокислого аммония. Тем не
менее мочевина действует на растения медленнее, чем ам-
миачные или аммиачно-нитратные удобрения, поэтому ее
рекомендуют вносить в почву заблаговременно.
120
Мочевина вносится под разнообразные культуры не
только как самостоятельное удобрение, но она входит и
р состав смешанных удобрений. В качестве самостоятель-
ного, концентрированного тука ее особенно рекомендуют
применять для удобрения лугов, пастбищ и садовых куль-
тур. Мочевина повышает урожай и значительно улучшает
качество таких культур, как табак, виноград, хмель и
различные корнеплоды.
К амидным удобрениям относят и цианамид кальция
(CaCN2), который получают действием газообразного
азота на карбид кальция.
Способ получения цианамида кальция был уже описан
выше.
Цианамид кальция по своему агрохимическому дейст-
вию не уступает сульфату аммония и аммиачной селитре.
Цианамид кальция относится к щелочным удобрениям,
поэтому его особенно полезно применять на кислых поч-
вах.
Цианамид кальция целесообразно вносить в почву, где
не наблюдается пониженной деятельности бактерий.
В противном случае, превращение цианамида кальция в
мочевину, а затем в аммиак будет протекать слишком мед-
ленно и растения не получат необходимый им азот в нуж-
ное время.
Для того чтобы цианамид кальция своевременно успел
терейти в усвояемую растениями форму, его вносят в поч-
ву за определенное время до посева.
С развитием производства синтетического аммиака в
большинстве стран мира природные селитры вышли из
употребления. В настоящее время нитратные удобрения
получают на заводах по производству синтетической азот-
ной кислоты.
Для получения натриевой селитры (NaNOs) хвосто-
вые нитрозные газы, выходящие из последнего абсорбера
и содержащие 1 —1,5 процента окислов азота, пропускают
через раствор соды (Na2CO3) или раствор щелочи (NaOH).
В результате образуется смесь нитрата и нитрита натэия;
смесь эту обрабатывают азотной кислотой и получают
раствор только нитрата натрия, из которого при выпари-
вании выпадает селитра.
Кальциевую селитру [Ca(NO3)2] получают примерно
тем же путем, используя вместо соды или щелочи извест-
121
ковое молоко — взвесь гидроокиси кальция в известковой
воде. Последняя в свою очередь представляет собой на-
сыщенный раствор гидроокиси кальция.
Калиевую селитру (KNO3) в промышленности чаще
всего получают из натриевой селитры и хлористого калия.
В результате реакции обмена образуется калиевая селит-
ра и поваренная соль (NaNO3 + КС1 = (KNO3 + NaCl).
Подкормка развивающихся растений при помощи авиации.
Различное изменение растворимости этих солей с изме-
нением температуры сильно облегчает их разделение.
В сельском хозяйстве нитратные удобрения использу-
ются главным образом на подкормку уже развивающихся
растений, поэтому обычно их рассеивают по поверхности
почвы.
Нитратные удобрения относятся к физиологически-
щелочным. Ионы нитрата (NO3“) поглощаются растения-
ми значительно энергичнее, чем ионы калия, кальция и,
особенно, натрия. В почве постепенно накапливаются ка-
тионы щелочных металлов, которые способствуют нейтра-
лизации кислых почв.
Нитратные удобрения применяют как в чистом виде,
так и в смеси или сплаве с другими минеральными удоб-
рениями, которые выпускает азотно-туковая промышлен-
ность.
122
В чистом виде натриевую селитру используют под раз-
ные культуры, особено эффективно ее применение под
сахарную свеклу.
Кальциевая селитра является прекрасным удобрением
под картофель, сахарную свеклу, лен, ячмень, коноплю и
овес.
Калиевая селитра повышает урожайность табака,
льна, винограда, сахарной свеклы и различных цитрусо-
вых растений.
Сколько же минеральных азотных удобрений необхо-
димо вносить в почву?
В зависимости от вида выращиваемой культуры, вре-
мени года и техники внесения удобрения, а также от осо-
бенностей почвы, нормы колеблются от 30 до 90 кило-
граммов азота на один гектар почвы в том случае, ког-
да удобрение вносится, как основное удобрение под
пахоту.
При правильном сочетании всех агротехнических ме-
роприятий каждый килограмм азота, внесенный в почву,
обеспечивает прибавление урожая с одного гектара: зер-
на на 20 килограммов, хлопчатника около 12, картофеля
и сахарной свеклы до 100, корнеплодов от 150 до 200, а
капусты примерно на 225 килограммов.
Цифры эти показывают, насколько велико значение
азота в повышении производительности сельского хозяй-
ства.
Почти весь азот, необходимый для народного хозяй-
ства, получается в настоящее время из окружающего нас
воздуха.
Невольно поражаешься прозорливости гениальных
русских ученых Д. И. Менделеева и К. А. Тимирязева,
которые задолго до промышленного осуществления син-
теза аммиака указали человеку на этот дешевый источник
сырья для азотных удобрений.
Искусственное волокно
Уже на заре капиталистического развития общества
выявился некоторый разрыв между спросом на готовую
ткань и производством естественного волокна. В эти годы
начинает зарождаться мысль о возможности получения
волокна искусственным путем.
123
Первые сообщения о получении тонкой шелковой тка-
ни из рога и рыбьего клея были опубликованы в 1665 году
Робертом Гуком в записках Лондонского Королевского
общества. Это изобретение не имело, однако, практиче-
ского значения, так как качество полученной ткани было
чрезвычайно низко, а стоимость ее высока. Возросшую
пбтребность в тканях приходилось удовлетворять за счет
увеличения производства шерсти и усиленного развития
хлопководства и шелководства.
В середине прошлого века, начиная'с 1850 года, в За-
падной Европе и в особенности в Италии и Франции
распространилась массовая инфекционная болезнь
шелковичного червя — цебрина. Болезнь эта привела к
почти полному уничтожению шелковичного червя.
Эпидемия, длившаяся несколько лет, нанесла огромный
ущерб шелководству, которое с давних пор имело осо-
бое значение для экономики французского государства.
К ликвидации последствий эпидемии были привлечены
лучшие научные силы страны. Знаменитый французский
ученый Луи Пастер стал искать пути к прекращению
заболевания.
Молодой инженер Шар дане усиленно работал над во-
просами создания искусственного волокна.
В тот период проблемой искусственного волокна зани-
мались и многие другие ученые в различных странах.
Большинство из них пытались искусственно воспроизвести
кропотливую работу шелковичного червя и при помощи
химических реактивов и машин получить из листьев туто-
вого дерева шелковую нить.
Химики в течение продолжительного времени без-
результатно старались измельченные листья тутового де-
рева превратить в вязкую массу.
Сопоставляя химический состав листьев и натурально-
го шелка, ученые нашли, что как в целлюлозе, из которой
состоят листья, так и в шелке содержатся углерод, кисло-
род и водород. Но в состав шелка, кроме того, еще входит
азот.
Естественно, возникла мысль присоединить к целлюло-
зе азот и тем самым превратить ее в соединение, способ-
ное при растворении переходить в текучую массу.
Каково же было удивление ученых, когда, получив
вещество, состоящее из целлюлозы и азота, они узнали
124
В йем нитроклетчатку, которая уже в течение многих лет
применялась в производстве взрывчатых веществ.
Нитроклетчатку, или нитроцеллюлозу, получают пу-
тем обработки целлюлозы азотной кислотой в присутствии
серной кислоты. Целлюлоза входит в состав всех без ис-
ключения раститель-
ных организмов и
является главной со-
ставной частью обо-
лочек р астител ьных
клеток.
Древесная масса
примерно на 50 про-
центов состоит из
целлюлозы, химиче-
ски связанной с дру-
гими веществами,
входящими в состав
древесины. Эти ве-
щества менее устой-
чивы, чем целлюлоза,
поэтому при дли-
тельной химической
обработке древесины,
когда связь между
молекулами целлю-
лозы и молекулами
других составных ча-
стей древесины раз-
рывается, последние
Котел для варки древесины.
переходят в раствор,
а целлюлоза остается в виде рыхлой массы.
Обработку древесины ведут разбавленным раствором
едкого натра или 3—4-процентным раствором азотной
кислоты при повышенной температуре и под небольшим
давлением.
Оставшуюся рыхлую целлюлозную массу отделяют от
раствора, промывают, высушивают и спрессовывают в ви-
де листов.
Целлюлоза — высокомолекулярное соединение, моле-
кулы которого построены из многочисленных, одинаковых
звеньев, соединенных между собой в виде цепочки. Хи-
125
мический состав каждого такого звена соответствует
/ОН
формуле (С6Н10О5) или (С6Н7О2) ^-ОН.
хон
При взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой
атомы водорода гидроксильных групп замещаются на
нитрогруппы (NO2), в результате чего образуется нитро-
клетчатка.
Различные типы фильер для формирования волокна.
В избытке азотной кислоты получается тринитроклетчатка
/ОН	/ONO2
[(СвН7О2) ОН + 3 HNO3 = (CeH7O2) ONO2 + ЗН2О].
\он	XONO2
При недостатке азотной кислоты образуется динитро-
/ONO2
клетчатка (С6Н7О2)^-ОН или мононитроклетчатка
\ono2
/ОН
(C6H7O2)^-ONO2.
\он
Нитроклетчатка относится к классу сложных эфиров
и является эфиром азотной кислоты и целлюлозы. Она
имеет вид хрупкой массы, лишенной запаха и вкуса, и
взрывается при ударе и нагревании выше 180°.
Нитроклетчатку стали растворять в различных орга-
нических растворителях. Первыми растворителями были
спирт, эфир и спирто-эфирная смесь. Из полученного вяз-
кого раствора при помощи стеклянных палочек тянули
тонкие нити. На воздухе растворитель испарялся, а вы-
сохшие нити из нитроклетчатки наматывали на катушки.
126
Таким путем впервые во второй
половине XIX века был получен
искусственный нитрошелк.
Постепенно процесс производства
нитрошелка совершенствовался:
вместо вытягивания нитей вязкий
раствор стали продавливать через
одиночные, а затем групповые ка-
пилляры, называемые фильерами.
Применение фильер привело к не-
обходимости тщательно отфильтро-
вывать раствор от мельчайших
твердых частиц и пузырьков газа.
Пузырьки газа или твердые
частицы, попадая в тонкий капил-
ляр, забивают его и прерывают
нить.
Групповые фильеры, состоящие
из отдельных капилляров, закреп-
ленных в специальное приспособле-
ние, уступили место современным
фильерам — небольшому металличе-
скому колпачку, в донышке которого
просверлены мелкие отверстия. Их
роль, как и у капилляров, заклю-
чается в разделении общего потока
раствора на отдельные тонкие
струйки, которые, высыхая, превра-
щаются в волокна.
В современных фильерах, в за-
висимости от их применения, число
отверстий колеблется от двух десят-
ков до десятка тысяч.
Впоследствии наряду с органи-
ческими растворителями стали при-
менять и неорганические раствори-
тели. Полученную в этом случае
тонкую струйку вязкой массы про-
пускали через водный раствор, спо-
собный отнять растворитель, вслед-
Схема формирова-
ния волокна по сухому
способу:
1 — насосик для подачи
прядильного раствора;
2 — фильера; 3 — шах-
та, в которую поступают
струйки, продавленные
через фильеру; / — вы-
сохшие элементарные
волокна, собранные в
нить; 5 — бобина: 6 —
нитеводитель для напра-
вления нити по бобине.
ствие ^его масса затвердевала и приобретала свойства
тонкой шелковой нити.
127
Такой способ формирования шелка получил название
мокрого прядения, в отличие от сухого метода, когда ра-
створитель испаряется из вязкой массы на воздухе.
Совершенствовался не только процесс образования
искусственного шелка, но и технология прядения. Создава-
Общий вид прядильной машины для получения
волокна по сухому способу.
лись новые, все более совершенные прядильные машины,
увеличивалось производство нитрошелка.
В начале нынешнего века подготовка к первой миро-
вой войне способствовала еще большему увеличению про-
изводства нитрошелка. Применение нитроклетчатки в ка-
честве сырья для производства пороха вынудило прави-
тельства ввести поощрения, направленные на развитие
128
этой новой отрасли промышленности. Тем не менее произ-
водство нитрошелка просуществовало недолго. Его заме-
нил более дешевый метод получения искусственного шел-
ка — медно-аммиачный способ.
Схема мокрого прядения шелка:
1 — подача прядильного раствора; 2 — фильера; 3 —воронка, куда посту
пают волокна; 4 — подача раствора первой ванны; 5 — подача раствора
второй ванны; 6 — нить, направленная на дальнейшую обработку.
Медно-аммиачный шелк
Медно-аммиачный комплекс [Си(ЬШз)4(ОН)2] полу-
чается действием концентрированного водного раствора
аммиака на медь или на ее окись. Этот комплекс образует
с целлюлозой сложное молекулярное соединение, которое
растворяется только в концентрированном водном раство-
ре аммиака. Свойство медно-аммиачного комплекса широ-
ко использовали в производстве искусственного шелка,
9 В. И. Медведовский	joq
для образования так называемого прядильного раствора
вязкой массы, из которой прядут нить.
В аппарат для приготовления прядильного раствора
загружают аммиак, гидроокись меди и целлюлозу. Цел-
люлоза набухает и образует молекулярное соединение с
медно-аммиачным комплексом. При непрерывном и ин-
тенсивном перемешивании это молекулярное соединение
растворяется в избытке аммиака, образуя вязкий раствор.
Три, четыре партии таких растворов- сливают вместе и
перемешивают в течение 6—8 часов. В результате полу-
чают значительное количество однородной массы. Масса
эта идет в фильтровальный цех, где ее продавливают че-
рез плотные никелевые сетки или через ткани из синтети-
ческого волокна.
Формирование медно-аммиачного волокна осущест-
вляется только по мокрому способу прядения. Тонкую
струйку вязкой жидкости, вытекающую под давлением из
фильеры, направляют в первую ванну — воронку, в кото-
рую непрерывно подается вода или слабый водный
раствор щелочи.
Аммиак из прядильного раствора переходит в воду, и
вместо жидкой струйки образуется нерастворимая в воде
эластичная нить из соединения целлюлозы с медно-ам-
миачным комплексом.
Это пока еще не шелк, а сложное молекулярное соеди-
нение целлюлозы, меди и аммиака. Его необходимо разру-
шить: медь и аммиак изъять, а в нити оставить чистую
целлюлозу.
Такой сложный химический процесс люди научились
осуществлять довольно простым техническим приемом.
Нить пропускают через вторую ванну, наполненную рас-
твором серной кислоты (1 —1,5 процента) или водным
раствором сернокислого аммония.
За время соприкосновения нити с раствором, во второй
ванне успевают произойти все необходимые химические
реакции. При этом целлюлоза регенерируется, то. есть вос-
станавливается в чистом виде, освобождаясь от меди и
аммиака, которые переходят в раствор в виде сернокис-
лых солей. Отработанная серная кислота в свою очередь
идет на регенерацию.
Сформированная шелковая нить принимается на бо-
бину, или направляется в прядильную центрифугу, где она
130
закручивается и одновременно, благодаря центробежной
оиле, отбрасывается на вращающийся барабан, уклады-
ваясь в толстостенный полый цилиндр, названный прядиль-
ным куличом.
При закрутке в центрифуге, которая вращается со ско-
ростью от 6 до 8 тысяч оборотов в минуту, образуется
жгут — нить, состоящая из большого числа тонких воло-
кон, что придает ей мягкость, эластичность. Число отдель-
ных волокон, входящих
в закрученную нить, соот-
ветствует числу отверстий
в фильере.
Бобинный шелк прямо
в бобинах отмывают от
следов кислоты, обраба-
тывают отделочными ра-
створами, высушивают и
после скрутки на прядиль-
ных машинах перематы-
вают на шпули и отправ-
ляют на текстильные фаб-
рики.
Шелк из центрифуги
проходит все те же стадии
обработки, за исключе-
нием кручения, которое
осуществляется в самой
центрифуге.
Медно-аммиачный шелк
занимает четвертое место
в мировом производстве
искусственного волокна.
Хотя выпуск его сравни-
тельно невелик, но нет
Изделия из медно-аммиачного
шелка легки, прозрачны и прочны.
пока другого искусствен-
ного шелка, который мог бы сравниться с ним по качеству.
Чулки, белье и другие трикотажные изделия, изготов-
ленные из медно-аммиачного шелка, необычайно красивы,
легки и тонки.
Где минимальный предел толщины нити, которую
можно создать и использовать в текстильной промышлен-
ности?
9*
131
Еще недавно толщину паутины считали пределом тон-
кости в текстильном производстве и паутинкой были на-
званы самые тонкие дамские чулки, выпускаемые про-
мышленностью.
Однако механические «шелкопряды» оказались бо-
лее совершенными, чем живой шелковичный червь или
паук.
По медно-аммиачному способу прядения ученым в со-
дружестве со специалистами-производственниками уда-
лось получить нить тоньше паутины и соткать ткань, кото-
рая по своей тонкости, легкости и прозрачности превзошла
ткань легендарной ткачихи Арахнеи.
По греческой легенде, дошедшей до наших дней, Арах-
нея настолько совершенно владела своим ремеслом, что
поражала всех своими тканями, которые были легки, как
дым, прозрачны, как воздух, и тонки, как паутина. Даже
сама Афина Паллада — богиня мудрости и изобретатель-
ности, покровительница знаний, искусств и ремесел, даже
она, обучавшая людей ткачеству и прядению, не могла со-
перничать с Арахнеей.
Толщина нити медно-аммиачного шелка достигает
двух микрон, или двух тысячных миллиметра. Чтобы пред-
ставить себе толщину этой нити, сравним ее с другими во-
локнами: толщина натуральной шерсти равна 29 микро-
нам, натурального шелка — 18 микронам, хлопка — 15 ми-
кронам. Толщина паутины и вискозного шелка колеблется
в пределах от 3 до 5 микронов.
Большое и важное место в мировом производстве ис-
кусственного волокна занимают вискозный и ацетатный
шелка. Но так как на основные технологические процессы
производства этих видов искусственного волокна не ис-
пользуются азотная кислота, аммиак или их соли, мы не
будем на них останавливаться.
Беглый обзор свойств искусственных волокон, вклю-
чающих азот или требующих на свое изготовление азотных
соединений, показывает, что в некоторых отношениях ис-
кусственные волокна превосходят естественные и что ис-
кусственное волокно уже давно перестало быть сурро-
гатом.
Искусственное волокно является новым классом во-
локна, которое не просто повторяет свойства натураль-
ного шелка, шерсти или хлопка, а несмотря на свои от-
132
дельные недостатки имеет много ценных качеств, отсут-
ствующих у естественных волокон.
Искусственные волокна, как мы уже говорили, полу-
чают главным образом из целлюлозы, которая является
природным высокомолекулярным соединением.
Высокомолекулярные соединения, молекулы которых
состоят из десятков или даже сотен тысяч атомов, встре-
чаются в природе не только в виде целлюлозы. К этим
соединениям относятся также крахмал, белки и др. Но не
все высокомолекулярные вещества могут быть использо-
ваны для получения искусственного волокна. Для примера
возьмем крахмал. Целлюлоза и крахмал имеют не только
один и тот же химический состав, но и примерно одинако-
вый молекулярный вес. Однако в то время как из древе-
сины, в которую входит целлюлоза, можно получить пре-
красное искусственное волокно, из картофеля, в состав
которого входит крахмал, даже самого плохого волокна
получить невозможно. Оказывается, для того чтобы обла-
дать одинаковыми свойствами, разным высокомолекуляр-
ным соединениям недостаточно иметь одинаковый хими-
ческий состав или молекулярный вес,— необходимо иметь
еще определенное строение.
Отдельные молекулы высокомолекулярных соединений,
или, как их называют, макромолекулы, могут обладать
различной формой: вытянутой, ., согнутой, разветвленной
или сферической.
Макромолекулы соединены между собой химическими
или межмолекулярными связями. Чем более разветвлен-
ную форму имеют макромолекулы, тем связь между ними
слабее, тем легче она разрывается и тем больше раствори-
мость веществ, получаемых из таких молекул.
Вещество, образующееся от соединения многочислен-
ных макромолекул, получило название полимера, а сам
процесс соединения одинаковых молекул носит название
полимеризации.
Полимеры из вытянутых макромолекул имеют форму
нити, обладающей достаточно большой прочностью. К та-
ким природным полимерам относится только клетчатка.
И хотя для производства искусственного волокна клет-
чатка обладает огромным преимуществом перед крахма-
лом, белками и другими высокомолекулярными соедине-
ниями, свойства волокна, которое получается из природ-
133
них высокополимеров, не могут быть изменены, так как
они определяются химическим составом и строением ис-
ходных продуктов.
Человек начал искать способ получения такого во-
локна, которое обладало бы заранее заданными свойства-
ми. Возможность решить эту проблему появилась с откры-
тием синтетического волокна.
Шелк из смолы
Синтетические волокна получают из высокомолекуляр-
ных соединений, но соединения эти создаются не в приро-
де, а человеком в лабораториях и на заводах, искусствен-
ным синтетическим путем, из простых низкомолекулярных
веществ.
Высокомолекулярные синтетические вещества — это
искусственные смолы, которые идут на изготовление син-
тетического каучука, пластических масс и синтетических
волокон. Первым промышленным синтетическим 'волокном
был капрон.
Исходными продуктами для производства капрона 'слу-
жат бензол и аммиак. Для получения капронового во-
локна необходимо прежде всего из исходных продуктов
получить высокомолекулярное соединение, способное при
дальнейшей обработке полимеризоваться и образовать
бесцветную белую смолу. Таким высокомолекулярным
соединением является капролактам, химический состав
которого выражается формулой C6HnNO. При полиме-
ризации большое число молекул капролактама соеди-
няется между собой, в результате чего образуется смола
капрон.
Полимеризацию ведут под давлением в 14—17 атмос-
фер при температуре 230—280° в атмосфере азота, тща-
тельно очищенного от следов кислорода, вредно отражаю-
щегося на качестве готового продукта.
По окончании полимеризации расплавленную смолу
продавливают через широкую щель. Образующуюся лен-
ту после остывания измельчают, обрабатывают различ-
ными химикатами и тщательно высушивают в специаль-
ных сушилках.
В отличие от способов формирования искусственного
волокна, капроновую нить получают не из густого раство-
ра, а из расплава смолы. Для этого измельченную крошку
134
смолы подают на плавильную решетку, где ее расплав-
ляют в токе азота при температуре около 275°. Расплав
насосами перекачивают в фильеры, откуда его выдавли-
вают в виде тонких струек. Струйки эти поступают в шах-
ту прядильной машины, где обдуваются током холодного
воздуха. Застывшие струйки образуют волокна, которые
наматывают на бобины.
Скорость прядения капроновой нити достигает 1000 ме-
тров в минуту, но это еще не готовый шелк, а полуфабри-
кат. В дальнейшем сухие волокна увлажняют, обрабаты-
вают маслянистыми веществами, скручивают и одновре-
менно вытягивают примерно в четыре раза против перво-
начальной длины. При этой операции сморщенный жгутик
превращается в гладкую тонкую нить — капрон.
Капрон лишь один из видов синтетического волокна.
Применяя те же исходные продукты — бензол и аммиак,
но изменяя технологию процесса получения первичных
звеньев и процесса их полимеризации, можно получить
смолы другого химического состава, которые дают волок-
на иного заранее обусловленного свойства. Одним из та-
ких синтетических волокон является найлон, который пла-
вится при более высокой температуре, чем капрон.
Синтетические волокна капрон и найлон обладают ис-
ключительно высокими качествами. Их нити на 20 про-
центов легче нитей искусственного шелка, а по прочности
капрон :и найлон в 2 раза превосходят волокна искусствен-
ного шелка.
Изделия из капрона и найлона нельзя гладить горячим
утюгом, так как смола, из которой они изготовляются, пла-
вится соответствен1но при температурах 215 и 255°. Но
изделия эти после стирки не нуждаются в проглажива-
нии, они быстро сохнут <и сами принимают свою первона-
чальную форму.
Промышленное применение искусственного
и синтетического волокна
Область применения искусственных и синтетических
волокон не ограничивается текстильными и трикотажными
изделиями.
В настоящее время искусственные и синтетические во-
локна служат исходным сырьем для изготовления важней-
ших технических материалов. В первую очередь следует
135
отметить кордную ткань, электроизоляционные материалы,
негниющие рыболовные сети и снасти, легкие и прочные
парашюты, кислотоупорные
фильтровальные и другие мате-
риалы.
Если посмотреть на разрез
авт мобильной, авиационной
или велосипедной шины, можно
заметить, как между слоями
резины в разных направлениях
расположены слои ткани. Корд-
ная ткань состоит из парал-
лельно расположенных нитей,
запресованных в резину в виде
ленты. Резина придает шине
эластичность и упругость, а
кордная ткань — прочность.
Установлено, .что если для
кордной ткани вместо высших
сортов хлопкового волокна ис-
пользовать 'искусственное или
синтетическое волокно, проч-
ность шины повышается на
50 процентов. На изготовление
кордной ткани используется от
20 до 45 процентов всего миро-
вого производства искусствен-
Разрез автомобильной
покрышки:
1 — протектор; 2 — подушеч-
ные слои из резиноткани; 3 —
резиновые прослойки; 4 — кар-
кас покрышки из нескольких
слоев прорезиненного корда.
ного и синтетического волокна.
Не менее важную роль игра-
ет синтетическое волокно и в
электропромышленности, где в
качестве изоляционного мате-
риала ранее применялся нату-
ральный шелк. В обычных
атмосферных условиях натуральный шелк поглощает от 8
до И процентов влаги, что приводит к резкому пониже-
нию его изоляционных свойств. Синтетическое волокно,
которое практически совершенно не впитывает влаги,
является незаменимым высокоизоляционным материалом.
Рыболовные сети, изготовленные из синтетического во-
локна, по легкости, прочности и устойчивости в воде пре-
восходят сети, изготовленные из естественных волокон.
136
Итак, благодаря общему развитию науки и техники,
широкому развитию азотной промышленности, способной
дать огромные количества связанного азота, появилась
Изделия из пластмассы.
возможность из воздуха, воды, дерева и угля производить
искусственные и синтетические волокна.
Дешевизна и доступность исходного сырья, независи-
мость производства от географических и климатических
условий, возможность расширения ассортимента текстиль-
ного сырья — все это привело к тому, что производство
137
искусственного и синтетического волокна за последние
годы получило чрезвычайно широкое развитие.
Еще задолго до получения смол капрон и найлон неко-
торые синтетические смолы, в состав которых входили
азот, водород и углерод, служили прекрасным сырьем для
производства пластических масс.
Пластические массы получили широкую известность в
промышленности и в быту. Они легки и прочны, не набу-
хают и не растворяются в воде, устойчивы к действию кис-
лот и обладают хорошими изоляционными свойствами.
Пластические массы легко и хорошо окрашиваются в раз-
личные цвета. Они могут быть прозрачными не только
для видимого света, но и для части ультрафиолетовых
лучей.
Путем подбора технологического процесса изготовле-
ния высокомолекулярных соединений пластмассе придают
такие свойства, что она может быть использована в элек-
тротехнике сильных и слабых токов в качестве изоляторов.
В машиностроении ею можно заменить металлы в под-
шипниках, шестеренках и других деталях.
В авиационной и автомобильной промышленности пла-
стической массой заменяют стекло и даже алюминий, ко-
торый в два раза тяжелее отдельных сортов пластмассы.
Из пластмассы изготовляются изящные и дешевые из-
делия в виде различной посуды, шкатулок, детских игру-
шек, ручек, чернильных приборов и множества других
предметов домашнего обихода.
Взрывчатые вещества
Немецкий философ XVI века Себастьян Мюнстер, вы-
нося суровой приговор великому изобретению человека,
писал: «Тот, кто принес на землю такую ужасную вещь,
как порох, недостоин, чтобы его имя осталось в памяти
людей». Если следовать принципу философа, то к числу
больших открытий, заслуживающих «проклятия», нужно
было бы отнести огромные достижения химической и бак-
териологической наук, а также величайшее открытие
последних десятилетий — атомную энергию, поскольку на
базе этих открытий было создано химическое, бактерио-
логическое и атомное оружие.
138
Однако зло, приносимое взрывчатыми и отравляющи-
ми веществами, бактериологическим и атомным оружием,
таится не в природе этих вещей, а в капиталистическом
строе, который использует их как средство массового уни-
чтожения людей и разрушения накопленных веками куль-
турных ценностей. Это зло таится в самой империалисти-
ческой системе, порождающей грабительские захватниче-
ские войны.
Только с крахом империализма появится полная гаран-
тия того, что все новейшие достижения науки и техники
во всем мире будут обращены на благо народов, на облег-
чение их труда, на максимальное удовлетворение их ма-
териальных и культурных потребностей.
Чтобы перейти к описанию путей использования взрыв-
чатых веществ в народном хозяйстве, нужно хотя бы ко-
ротко ознакомиться с природой взрывов и с отдельными
взрывчатыми веществами.
Когда при сильном перегреве пара происходит взрыв
котла или разрывается баллон с сжатым газом, говорят,
что взрыв вызван физическими явлениями. Такие взрывы
называют физическими и происходят они, когда прочность
стенок котла или баллона не соответствует создавшемуся
в них давлению. Как правило, физические взрывы проис-
ходят случайно.
В большинстве случаев взрывы вызываются человеком
преднамеренно, при помощи взрывчатых веществ. В осно-
ве преднамеренных взрывов лежат химические процессы,
и такие взрывы носят название химических. Пламя, грохот
и разрушение, сопровождающие взрыв, это только его
внешние признаки. Главное же кроется в тех внутренних
превращениях, которые претерпевает само вещество во
время взрыва.
Химические реакции, происходящие при взрыве, отли-
чаются от обычных химических реакций тем, что они про-
текают с огромной скоростью; при этом выделяется боль-
шое количество теплоты и образуются газообразные про-
дукты, нагретые до высокой температуры.
В газообразные продукты взрыва в зависимости от со-
става взрывчатого вещества могут входить: азот, окись
азота, окись углерода, пары воды, двуокись углерода.
В момент взрыва температура газов обычно достигает
3000—4000°. Вследствие столь высокой температуры и без
139
того большой объем образующихся газов еще больше уве-
личивается, развиваются огромные давления в десятки и
сотни тысяч атмосфер.
Чем же обусловлена огромная скорость химической
реакции при взрыве?
Обыкновенный уголь на воздухе горит медленно и спо-
койно потому, что химическая реакция окисления проте-
кает только на его поверхности. Естественно, что чем
мельче раздроблен уголь, тем больше его поверхность, тем
быстрее будет протекать окисление и энергичнее идти го-
рение. Если же раздробить уголь в тонкий порошок и рас-
пылить в воздухе, то его горение перейдет во взрыв.
10 марта 1906 года в приморском департаменте Па-де-
Кале на севере Франции произошла страшная катастрофа,
при которой погибло свыше тысячи углекопов. Во время
работы в шахте взорвалась каменноугольная пыль, рас-
сеянная в воздухе.
Дымный, или черный, порох — старейшее из известных
взрывчатых веществ; он представляет собой механиче-
скую смесь тонкоизмельченной калиевой селитры, серы и
угля. Наиболее распространенный вид дымного пороха
состоит из 75 процентов калиевой селитры, 15 процентов
угля и 10 процентов серы.
При сжигании пороха селитра разлагается с выделе-
нием кислорода, который идет на горение серы и угля. При
этом образуются газообразные продукты, объем которых
в 2000—2500 раз больше объема взятого пороха.
В течение многих столетий единственным взрывчатым
веществом, которое производил человек, был черный по-
рох, причем за последние 500 лет состав его почти не из-
менялся. Применялся черный порох больше всего в воен-
ном деле.
Начиная со второй половины XIX века новые взрыв-
чатые вещества стали постепенно вытеснять черный по-
рох. В настоящее время он применяется главным образом
в некоторых видах взрывных работ, в охотничьем деле и
для изготовления огнепроводящего шнура.
Первыми представителями нового класса взрывчатых
веществ были уже не смеси, а химические соединения, по-
лученные из органических веществ, обработанных азотной
кислотой. К ним относятся пироксилин и нитроглицерин,
открытые почти одновременно: первый в 1846 году в Гер-
140
мании, а второй в 1847 году в Италии. Их практическое
применение для взрывных работ в горной промышленно-
сти России связано с именами русского химика Н. Н. Зи-
нина и военного инженера В. Ф. Петрушевского.
Взрыв пироксилина, как и пороха, основан на быстром
горении. Но если в дымном порохе в каждой отдельной
мелкой частице смеси содержится или горючий материал
или кислородсодержащее вещество, то в пироксилине каж-
дая его молекула содержит одновременно и то и другое.
Пироксилин является основой всех бездымных поро-
хов. По химическому составу это азотнокислый эфир клет-
чатки — нитроцеллюлоза, та самая, из которой получают
нитрошелк.
Отдельные волокна нитроклетчатки, полученные как
это описано выше, нитрованием целлюлозы, размельчают
и тщательно промывают. Несколько партий промытой
нитроклетчатки смешивают вместе, взмучивают в воде,
пропускают через сито для удаления механических при-
месей, а затем электромагнитом улавливают мелкие части-
цы металла, которые попадают в нитроклетчатку от исти-
рания ножей при ее размельчении. Очищенную массу от-
жимают в центрифуге, оставляя в ней до 30 процентов
влаги.
Когда было установлено, что нитроклетчатка обла-
дает более сильными взрывчатыми свойствами, чем порох,
на нее появился большой спрос. Фабриканты начали без-
удержно форсировать производство нитроклетчатки, но
частые взрывы пироксилина на заводах и складах заста-
вили их умерить свой пыл. В некоторых странах изготов-
ление пироксилина было вовсе запрещено.
Тщательное изучение всех физических и химических
свойств пироксилина позволило выработать технологию
его производства, совершенно исключающую возможность
взрывов. Если в сухом виде пироксилин взрывоопасен, то
в мокром или даже влажном состоянии, когда содержание
воды в нем не меньше 30 процентов, пироксилин можно
резать, пилить, рубить или прессовать без всякого риска.
Прессованный пироксилин, или пироксилиновые шаш-
ки, успешно применяются для взрывных работ.
Превосходство пироксилина состоит в том, что при его
взрыве выделяется в 3 раза больше газообразных продук-
тов, чем у дымного пороха. Кроме того, скорость горения
141
пироксилина значительно больше скорости горения поро-
ха. Если на небольшое количество черного пороха поло-
жить немного пироксилина и поджечь его, то он сгорит
еще до того, как порох воспламенится.
Чтобы уменьшить скорость горения пироксилина и ис-
пользовать его не только при взрывных работах, но и в
артиллерии, из него приготовляют бездымный пироксили-
новый порох.
В зависимости от скорости разложения взрывчатых
веществ различают две основные формы взрыва: горение
и детонацию. Скорость горения у различных взрывчатых
веществ может меняться от долей миллиметра до десят-
ков метров в секунду. Когда же скорость разложения
взрывчатого вещества достигает нескольких тысяч метров
в секунду, такое разложение называют детонацией.
По существу своему детонация является особым видом
распространения пламени во взрывчатых веществах, при
этом за очень короткий промежуток времени образуется
большое количество нагретых до высокой температуры
газообразных веществ и создается давление, достигающее
десятков и сотен тысяч атмосфер.
К взрывчатым веществам, скорость детонации кото-
рых достигает 8200 метров в секунду, относится нитрогли-
церин.
Нитроглицерин — тяжелая прозрачная жидкость свет-
ложелтого цвета. Его получают обработкой глицерина
крепкой азотной кислотой. В результате реакции обра-
зуется азотнокислый эфир глицерина — нитроглицерин и
вода [С3Н5 (ОН) з + 3HNO3 = С3Н5 (ONO2) 3 + ЗН2О].
Первая крупная партия нитроглицерина в количестве
3 тонн была изготовлена в России под руководством
В. Ф. Петрушевского и применена им в 1867 году для
взрывных работ 'на горнорудных приисках Верхне-Успен-
ска и в Забайкалье.
Нитроглицерин относится к наиболее сильным взрыв-
чатым веществам. Нитроглицерин легко взрывается от
небольшого удара, толчка, трения, от огня или искры. Он
считается чрезвычайно опасным взрывчатым веществом,
поэтому в настоящее время нитроглицерин в чистом ви-
де не применяется, а его используют как исходный про-
дукт для приготовления динамитов или бездымного
пороха.
142
Первый образец динамита предложил В. Ф. Петру-
шевский в 1864 году. Впоследствии было выпущено много
различных сортов динамита.
Динамиты — это взрывчатые вещества дробящего
действия, основной частью которых является нитрогли-
церин. Кроме нитроглицерина, в состав динамитов вхо-
дят нитроклетчатка, азотнокислые соли калия, натрия или
аммония, древесная мука или другое горючее вещество.
В наиболее употребительных динамитах нитроглице-
рин сгущен-желатинирован нитроцеллюлозой до образо-
вания твердого коллоидного раствора, называемого гре-
мучим студнем, или динамитной желатиной. Содержание
гремучего студня в динамите может колебаться от 30 до
85 процентов, что в свою очередь обусловливает процент-
ное содержание селитры, горючего вещества и некоторых
специальных добавок. По внешнему виду такие динамиты
напоминают студенистые вещества и называются пла-
стическими динамитами.
Пластические динамиты — мощные взрывчатые ве-
щества с сильным дробящим действием. Они применяют-
ся для взрывных работ в горной промышленности, в осо-
бенности для взрыва крепких пород. Пластические дина-
миты не поглощают влаги и не боятся воды, поэтому
в одинаковой мере применяются и в подводных взрывных
работах.
Несмотря на свои преимущества, динамиты обладают
рядом существенных недостатков, которые затрудняют их
применение. Наличие <в динамитах нитроглицерина делает
их особенно чувствительными к удару, трению, нагреву и
даже к солнечным лучам. Большим недостатком динами-
тов является их высокая температура замерзания. При
12° тепла динамиты замерзают, теряют свою пластич-
ность, становятся мало чувствительными, поэтому их
применение без специального подогрева невозможно.
При температуре выше 30° во время хранения динамиты
разлагаются с выделением нитроглицерина и становятся
опасными в обращении.
Из нитроглицерина и нитроклетчатки приготовляют
нитроглицериновый бездымный порох, который в отличие
от динамита не взрывается, а горит с определенной ско-
ростью в зависимости от состава, величины и формы час-
тиц пороха.
143
Вслед за эфирами азотной кислоты были открыты но-
вые взрывчатые вещества — нитросоединения. К наибо-
лее распространенным из них относится тротил.
Тротил, или, как его часто сокращенно называют, тол,
представляет собой химическое соединение, получаемое
в результате обработки толуола смесью азотной и серной
кислот. Толуол (С6Н5СН3) — органический продукт су-
хой перегонки каменного угля или перегонки нефти. При
взаимодействии толуола с азотной кислотой три атома
водорода в молекуле толуола замещаются на нитрогруп-
пы (NO2), в результате образуется тринитротолуол
[C6H2(NO2)3CH3], обладающий весьма сильными взрыв-
чатыми свойствами.
Тринитротолуол, или тротил — устойчивое взрывча-
тое вещество, не подвергающееся действию влаги и мало
чувствительное к удару или трению. Взрывается тротил
как на воздухе, так и в воде от капсюля детонатора. Во
взрывной технике тротил применяется в порошкообраз-
ном (или прессованном виде. Количество кислорода, кото-
рое входит в состав тротила, недостаточно для полного
сгорания всех его горючих веществ, поэтому продукты
взрыва тротила содержат большое количество вредных
газов, вследствие чего тротил применяется для производ-
ства взрывных работ только на открытом месте.
Тротил используется не только как самостоятельное
взрывчатое вещество, но и как составная часть аммони-
тов — еще одного класса взрывчатых веществ, содержа-
щих азот.
В состав аммонита, изготовляемого в Советском Сою-
зе, входит 88 процентов нитрата аммония (аммиачной се-
литры) и 12 процентов тротила.
Дешевизна аммиачной селитры, богатой водородом,
кислородом и азотом, обусловила низкую стоимость ам-
монитов как взрывчатых веществ. Аммониты химически
стойки и безопасны при производстве, хранении, перевоз-
ке и в обращении. Они мало чувствительны к удару, тре-
нию, огню и свободно выдерживают температуру до 100°.
Первые исследования взрывчатых веществ, содержа-
щих аммиачную селитру, начались в разных странах
с 80-х годов прошлого столетия.
В России изыскания привели к тому, что русским уче-
ным И. М. Чельцовым был предложен состав вещества,
144
обладающего исключительными взрывчатыми свойства-
ми. Это был один из видов аммонита, названного «громо-
боем». Название это сохранилось для данного состава
аммонита и по настоящее время.
Производство аммонитов отличается особой просто-
той. Оно заключается в тонком измельчении и тщатель-
ном механическом перемешивании исходных продуктов.
Порошкообразную смесь упаковывают в бумажные паке-
ты— патроны весом от 100 до 300 граммов. Для
предохранения аммонитов от увлажнения патроны по-
крывают сверху тонким слоем парафина.
В отличие от других взрывчатых веществ, например
динамита, в готовом виде аммониты могут храниться при
любой температуре воздуха неограниченное время. Они
не стареют, то есть не меняют своего химического соста-
ва и не замерзают при низкой температуре.
В зависимости от состава аммониты могут быть ис-
пользованы для производства подрывных работ как на
открытом месте, так и для подземных работ.
Таков далеко не полный перечень наиболее употреби-
тельных видов взрывчатых веществ, получение которых
целиком базируется на основных продуктах производства
азотной промышленности.
Использование взрывчатых веществ
в народном хозяйстве
Применение взрывчатых веществ в народном хозяй-
стве Советского Союза чрезвычайно многообразно. Это
можно объяснить прежде всего тем, что в основе работ,
связанных с развитием народного хозяйства, лежит меха-
низация — принцип максимальной замены ручного тру-
да работой механизмов или энергией взрывчатых веществ.
Сама по себе энергия взрывчатых веществ невелика.
Так, например, при сгорании одного килограмма угля
выделяется энергии в 8 раз больше, чем при взрыве одно-
го килограмма тротила. Но эта, казалась бы, незначи-
тельная энергия при взрыве выделяется в десятки мил-
лионов раз быстрее, чем при обычных процессах горения
угля. Поэтому при взрывах развивается колоссальная
мощность, недоступная ни одной машине, объем которой
10 в. и. Медведовский
мог бы быть сравним с объемом заряда. Вот почему
взрывчатое вещество является одним из самых эффектив-
ных средств механизации тяжелых и трудоемких про-
цессов.
По характеру взрывного действия и его назначению
взрывчатые вещества разделяют на бризантные, мета-
тельные и инициирующие.
Бризантные взрывчатые вещества применяются в
народном хозяйстве для дробления разнообразных круп-
ных предметов. Чем быстрее протекает процесс превра-
щения взрывчатого вещества в газообразные продукты,
тем больше бризантность и тем больше дробящее дейст-
вие этого вещества. Пироксилин и аммониты относятся
к числу взрывчатых веществ, обладающих бризантным
действием.
К метательным взрывчатым веществам относятся
главным образом пороха. Скорость горения их поддает-
ся регулированию изменением состава и формы пороха,
что дает возможность управлять скоростью нарастания
давления в замкнутом пространстве.
Инициирующие взрывчатые вещества предназначают-
ся для возбуждения взрыва других взрывчатых веществ.
Они легко загораются от искры или пламени, горение
происходит с огромной скоростью, переходящей в детона-
цию. К ним относятся не рассматриваемые нами грему-
чая ртуть — ртутная соль гремучей кислоты [Hg(ONC)2],
азид свинца — средняя свинцовая соль азотистоводород-
ной кислоты [Pb(N3)2] и др. Инициирующие взрывчатые
вещества употребляются для наполнения капсюля-дето-
йатора и для изготовления взрывателей.
Для производства взрывных работ прежде всего необ-
ходимо подготовить пространство для размещения заря-
да, так называемую зарядную камеру. Как правило,
взрывчатое вещество закладывают в глубину породы,
подлежащей взрыву. Для этого в породе вырабатывают
скважину или шпур, длина и ширина которых опреде-
ляются величиной заряда. В подготовленную камеру зак-
ладывают определенное количество вещества, содержа-
щего капсюль-детонатор.
Свободное от заряда пространство заполняют глиной,
сухим песком или породой. Инициирующее взрывчатое
вещество, находящееся в капсюле-детонаторе, взрывает-
146
ся от огня бикфордова шнура или от электровоспламени-
теля.
Бикфордов шнур состоит из длинной слабо прессо-
ванной нити черного пороха, окруженной рядом оболо-
чек-оплеток, и служит для направления и передачи огня
Подготовка породы к взрыву. Шпур с зарядами взрывчатого
вещества; в один из них вставлен капсюль-детонатор
и огнеприводный шнур.
на расстояние. Обычно скорость горения бикфордова шну-
ра составляет один сантиметр в секунду. В зависимости
от характера оболочек бикфордов шнур может приме-
няться как на сухой, так и на влажной местности, а так-
же и для взрывов под водой. Бикфордов шнур употреб-
ляется не только для воспламенения капсюля-детонато-
ра, но и при взрывных работах с зарядами черного по-
роха.
Работа электровоспламенителей основана на том, что
при пропускании электрического тока через тонкую ме-
таллическую проволоку она накаляется. На проволоку
нанесена тестообразная капля легко воспламеняющейся
смеси роданистого свинца [Pb(CNS)2] и бертолетовой
10*
147
соли. От пламени этой смеси взрывается инициирующее
взрывчатое вещество, детонирующее взрыв основного
заряда.
Много миллионов тонн разного камня выламывают
ежегодно из скалистых горных пород при помощи взрыв-
чатых веществ. Камень идет на строительство жилых и
промышленных зданий, на постройку железных и шос-
сейных дорог, на производство цемента и на другие на-
роднохозяйственные нужды.
В 1924 году в Калифорнии был произведен массовый
взрыв, привлекший к себе внимание многих специалис-
тов. Для взрыва породы были проделаны три штольни
с 13 камерами. В каждую камеру заложили по 14 тонн
динамита. Подготовку взрыва широко разрекламировали
и посмотреть его съехалось 15 тысяч зрителей. По описа-
ниям очевидцев зрелище было потрясающее. Одновремен-
но было взорвано 182 тонны взрывчатого вещества и вы-
брошено около двухсот тысяч тонн породы. Механическая
волна, вызванная взрывом, была отмечена на расстоянии
63 километров.
В 1932 г. в США был произведен другой крупный
взрыв 220 тонн взрывчатого вещества. Оба эти взрыва
считались самыми мощными взрывами в мире.
Однако уже в 1933 году в СССР, на Дальнем Востоке
при прокладке железной дороги Кангауз — Сучан было
решено при помощи взрыва сделать выемку через лежа-
щий на пути Бархатный перевал. В твердую породу пере-
вала на протяжении почти четверти километра заложили
257 тонн взрывчатки. Одновременным взрывом было
выброшено околю 100 тысяч кубических метров скальной
породы и на месте взрыва образовалась выемка глубиной
от 8 до 20 метров.
На все подготовительные работы по производству
этого грандиозного взрыва было затрачено около двух ме-
сяцев. Подсчеты показали, что работа, которую совер-
шили при помощи взрывчатых веществ, даже при исполь-
зовании самых современных механизмов потребовала бы
для своего выполнения не менее двух лет.
Крупные взрывы скальных пород широко применя-
лись при строительстве Днепрогэса, Беломорско-Балтий-
ского канала, канала им. Москвы, Ферганского канала
и др.
148
Взрыв (вверху) и выемка (внизу), образованная в Бархатном
перевале после взрыва.
Применение взрывчатых веществ при добыче полез-
ных ископаемых во многом способствует облегчению
труда и увеличению его производительности.
При прокладке железных или шоссейных дорог иног-
да приходится строить тоннели. Работы по проходке
тоннелей похожи на работы по добыче полезных ископа-
емых в подземных шахтах. При помощи взрывчатых ве-
ществ постепенно углубляются в горную породу, прокла-
дывая тоннель даже через крупные горные хребты.
Самый длинный тоннель на земном шаре прорезает
хребет Альпийских гор на протяжении 18,6 километра.
Он соединяет Швейцарию с Италией и состоит из двух
параллельных галерей, соединенных между собой прохо-
дами через каждые 200 метров.
Работы по проходке тоннеля велись долго, медленно
и кропотливо. Каждый новый круг шпуров удлинял тон-
нель всего лишь на 1,4 метра, и после каждого взрыва
откатывали около 200 кубических метров породы.
Узость фронта работ не позволяла использовать
большого количества рабочих. Поэтому за день удава-
лось продвинуться только на 6 метров.
Хотя для проходки тоннеля понадобилось около деся-
ти лет, однако специалисты считают, что такое огромное
сооружение удалось построить за этот срок только благо-
даря широкому применению взрывчатых веществ.
Взрывчатые вещества применяются при взрывных ра-
ботах под водой для очистки гаваней и судоходных рек от
подводных скал и рифов, мешающих судоходству.
Во время ледоходов для защиты железнодорожных и
шоссейных мостов от разрушения под напором льда
крупные льдины раскалывают при помощи взрывчатых
веществ. Ими же ликвидируют заторы, образующиеся во
время сплава леса.
В Арктике в условиях полярных льдов взрывчатые
вещества помогают застрявшим судам освободиться от
ледяного плена и пройти небольшое расстояние по искус-
ственному проходу, образующемуся в ледяном поле.
Советским инженерам принадлежит заслуга разра-
ботки и осуществления массовых взрывов направленного
действия. Сущность таких взрывов заключается в том,
что взрывная порода отбрасывается силой взрыва в зара-
нее заданном направлении.
150
В 1936 году массовым взрывом 1800 тонн аммонита
были вскрыты на огромной площади пласты челябинских
углей, залегающих на глубине 25—30 метров.
Другой крупный массовый взрыв был осуществлен
в 1949 году при строительстве одной электростанции.
Взрывом 1000 тонн взрывчатки было выброшено по сто-
ронам 220 тысяч кубических метров породы, в результате
чего образовался канал длиной в 290 метров.
Схема образования выемки при строительстве канала путем взрыва
на выброс.
Взрывы направленного действия позволяют разумно
применять взрывчатые вещества для- плантажа почв на
равнинах и склонах гор.
Плантажом называют рыхление почвы на глубину
одного и более метров в фруктовых садах и виноград-
никах.
Взрывчатые вещества применяются для осушки болот,
для выкорчевывания пней и кустарников, для удаления
с полей больших камней, с их помощью роют ямы для
посадки деревьев и делают большие углубления для водо-
емов.
Трудно описать все виды работ, которые могут быть
выполнены при помощи взрывов. Нами перечислены лишь
151
некоторые из них, но уже из этого видно, какую огромную
помощь оказывают человечеству взрывчатые вещества
при их разумном применении в народном хозяйстве.
Производство взрывчатых веществ базируется на
азотной промышленности. И если в мирное время азотная
промышленность помогает развитию народного хозяйст-
ва, способствуя увеличению материальных ценностей на-
шей страны и повышению благосостояния советского на-
рода, то в годы Великой Отечественной войны она помог-
ла народам Советского Союза отстоять свою свободу и
независимость, защитить от фашистских захватчиков
завоевания революции и достижения социалистического
строительства.
За послевоенные годы азотная промышленность на-
шей страны значительно развилась, а это значит, что еще
более укрепилась оборонная мощь Советского государ-
ства.
Искусственный холод
Уже давно было замечено, что в холодное время
продукты питания сохраняются лучше, чем в теплое вре-
мя года. Естественно, у человека появилось желание как
можно дольше сохранить часть зимнего холода с тем, что-
бы предохранить продукты от порчи.
Самым простым и примитивным способом сохране-
ния холода было своевременное заготовление льда или
снега. Их закладывали в глубокие ямы, покрывали плот-
ным слоем соломы, торфа или опилок. Температура в
таких ямах держалась от 0 до 5° тепла.
В дальнейшем и в этот простой способ сохранения хо-
лода было внесено некоторое усовершенствование — лед
стали посыпать поваренной солью, и температура таяния
смеси значительно понизилась. Постепенно установили,
что если к 75 граммам льда прибавить 25 граммов пова-
ренной соли, то температура таяния такой смеси пони-
жается до —17,8°.
В наше время в некоторых районах Советского Союза,
где позволяют климатические условия, для хранения пи-
щевых продуктов сооружают ледяные склады путем на-
мораживания льда на легкий деревянный каркас. Толщи-
на ледяных стен и свода такого склада достигает двух
метров. Снаружи склад тщательно укрывают соломой,
152
торфом, опилками или другими теплоизоляционными ма-
териалами.
Температура внутри ледяного склада поддерживается
ниже нуля. Для этого в нишах склада, на специальных
деревянных решетках, хранится охлаждающая смесь из
льда с солью. Правильный уход за складом обеспечивает
ею сохранение в течение ряда лет.
Схема ледяного склада для хранения скоропортящихся
продуктов:
/ — тамбур; 2 — камеры; г3 — лед; 41— изоляция; 5 — откос,
6 — ниши для ледосоленого охлаждения.
Известен и необычный случай применения льда. Для
забавы императрицы Анны Ивановны в суровую зиму
1740 года была устроена свадьба ее придворного шута в
специально выстроенном ледяном дворце. Не только сам
дворец, но даже и наружное оформление его — колонны,
скульптуры, деревья, пушки — были сделаны изо льда.
Изо льда же были сделаны и украшения внутри дворца:
статуи, мебель и посуда.
11 В. И. Медведевский	, г.
Это чудесное творение русских мастеров было описано
в 1741 году академиком И. Крафтом, подробно разбирав-
шим различные физические свойства льда и возможность
его обработки путем резания, сверления, полировки и
окрашивания.
Свадебная процессия перед ледяным дворцом, построенным для забавы
императрицы Анны Ивановны в Петербурге в 1740 году
(со старинной гравюры).
В этот же период М. В. Ломоносов, работая над сво-
им трудом «Размышления о причине теплоты и холода*,
опубликованном в 1744 году, приходит к мысли о возмож-
ности искусственного производства холода. Однако прак-
тическое осуществление идеи о получении искусственного
холода при помощи машин стало возможно лишь в конце
XIX века.
Известно, что любая жидкость может быть переведе-
на в парообразное состояние.
Как же происходит процесс парообразования?
Каждое физическое тело, будь оно твердое, жидкое
или газообразное, состоит из мельчайших частиц — моле-
кул.
В твердом теле молекулы размещены в определенном
порядке и связь между ними очень прочная.
В жидком теле связь между молекулами слабее, чем
в твердых телах, поэтому жидкость может принять
геометрическую форму того сосуда, в котором она нахо-
дится.
154
В газообразных веществах молекулы находятся друг
от друга на большом расстоянии и связь между ними сов-
сем слабая.
Молекулы любого тела находятся в непрерывном дви-
жении. В твердых телах каждая молекула колеблется
около определенного места в пространстве. В жидких
телах движение молекул более разнообразно, все же
силы притяжения между молекулами не дают им уда-
литься друг от друга. В газах движение молекул проис-
ходит беспорядочно.
При нагревании твердого тела колебательное движе-
ние молекул ускоряется. В жидких телах при нагревании
поступательное движение молекул усиливается, связь
между ними ослабевает и молекулы начинают вырывать-
ся из жидкой фазы. Жидкость переходит в газообразное
состояние.
Удельная скрытая теплота испарения, или количество
теплоты, которое необходимо затратить на перевод одного
грамма жидкости в парообразное состояние, зависит от
природы жидкого вещества. Так, например, для воды —
скрытая теплота испарения при температуре ее кипения
равна 538,9 калорий, для спирта 206,4, а для эфира
82,83 калории.
Если температура кипения жидкости при атмосфер-
ном давлении выше температуры окружающей среды, то
для непрерывного кипения такой жидкости необходимо
постоянно подводить тепло или поддерживать низкое дав-
ление.
Если же температура кипения жидкости близка к тем-
пературе окружающей среды или ниже ее, кипение такой
жидкости осуществляется за счет тепла, поглощаемого из
воздуха, при этом воздух охлаждается.
На испарении жидкости за счет тепла окружающей
среды и основан принцип работы холодильной установки.
Жидкий воздух, азот и кислород обладают очень низ-
кими температурами кипения. Однако применение этих
жидкостей в холодильных установках невыгодно, так как
на их получение затрачивается большое количество энер-
гии.
Очевидно, вещество, которое целесообразно приме-
нить в качестве холодильного агента в холодильных ма-
шинах, должно обладать двумя свойствами: во-первых,
11*
155
сильно понижать температуру окружающей среды при
переходе из жидкого состояния в газообразное; во-вто-
рых, сравнительно легко переходить обратно из газообраз-
ного состояния в жидкое.
В настоящее время известно около 30 веществ, кото-
рые могут быть использованы в качестве холодильных
агентов в установках, производящих искусственный хо-
лод. Но наибольшее распространение среди них получил
аммиак, обладающий целым рядом преимуществ перед
другими хладоагентами.
Жидкий аммиак при атмосферном давлении кипит
при температуре —33,4°, если же давление снизить до
0,1 атмосферы, его температура кипения понизится до
—70°. Таким образом, понижая давление в испарителе —
той части холодильной установки, где происходит испа-
рение жидкого аммиака, можно регулировать температу-
ру в холодильнике.
К достоинствам аммиака как холодильного агента
можно также отнести его сравнительно высокую теплоту
испарения. При температуре —20° на испарение одного
грамма аммиака из окружающего воздуха поглощается
341 калория. Понятно, что чем больше аммиака испарит-
ся в одну минуту, тем больше тепла поглотится из окру-
жающего воздуха и тем производительнее будет работа
холодильной машины.
Другим преимуществом аммиака является его высо-
кая критическая температура. Критическая температура
газообразного аммиака равна 132,4°, а критическое дав-
ление 115,2 атмосферы. Иными словами, если давление
газообразного аммиака довести до 115,2 атмосферы, то
он перейдет в жидкое состояние даже при такой высокой
температуре как 132,4°.
По опыту ожижения воздуха нам известно, что чем
ниже температура газа, тем меньше должно быть давле-
ние для перехода его в жидкое состояние. Если снизить
температуру аммиака до 20°, то он перейдет в жидкость
при давлении в 9 атмосфер, а при 10° тепла ожижение
произойдет под давлением 6,2 атмосферы.
Благодаря описанным свойствам аммиак успешно ис-
пользуют в разнообразных системах холодильных машин.
Остановимся коротко лишь на паровой компрессорной
машине.
156
Паровая компрессорная машина состоит из испарите-
ля, компрессора, конденсатора и регулирующего венти-
ля, соединенных в замкнутую систему.
Испарение аммиака или какого-либо другого холо-
дильного агента протекает в испарителе за счет внешней
Схема паровой компрессорной машины для производства
искусственного холода:
1 — испаритель; 2 — компрессор; 3 — конденсатор; 4 — регулирую-
щий вентиль; 5 — Ьодяное или воздушное охлаждение конденсатора.
теплоты. Чтобы пары аммиака снова перевести в жидкое
состояние, их отсасывают и сжимают в компрессоре до
8—12 атмосфер. В соответствии с давлением температура
сжатого газообразного аммиака повышается до 70—135°.
Для ожижения газообразного аммиака при таких темпе-
ратурах требуется высокое давление. Чтобы добиться
ожижения при умеренных давлениях, необходимо снизить
температуру газа. С этой целью сжатый газ из компрес-
сора направляют в конденсатор, где его охлаждают про-
точной водой или воздухом. Когда температура сжатых
паров аммиака падает до 15—20°, аммиак конденсируется
и переходит в жидкое состояние.
Из конденсатора жидкий аммиак, пройдя предвари-
тельно через регулирующий вентиль, поступает обратно
157
в испаритель, где он снова испаряется, непрерывно погло-
щая тепло из окружающей среды.
Количество жидкого аммиака, которое проходит через
вентиль, в точности соответствует тому количеству амми-
ака, которое переходит в испарителе в газообразное со-
стояние. Таким образом, регулирующий вентиль дает воз-
можность удобно и просто управлять работой холодиль-
ной машины. Если в холодильной машине нет утечки, то
однажды заправленная машина может работать очень
долго на небольшом объеме холодильного агента.
Холодильными машинами, в зависимости от их холо-
допроизводительности, поддерживают низкую темпера-
туру как в громадных холодильниках, где хранится до
10 тысяч тонн различных скоропортящихся продуктов,
так и в маленьких домашних электрохолодильниках на
5—10 килограммов.
Многочисленные камеры огромных холодильников, от-
дельные камеры небольших холодильников, шкафов и
прилавков в магазинах охлаждаются испарением аммиа-
ка в трубах, проложенных в этих камерах в виде змееви-
ка. Трубы, подключенные к холодильным машинам, слу-
жат испарителями.
В некоторых холодильных установках по трубам, про-
ложенным в камерах, прогоняют охлажденный раствор
поваренной соли (NaCl), или хлористого кальция (СаС1г).
Такие растворы называют рассолами.
В этом случае испаритель холодильной машины в ви-
де змеевика помещают в бак с рассолом. Аммиак, испа-
ряясь в змеевике, охлаждает рассол. При помощи специ-
ального насоса рассол из бака прогоняют по трубам,
проложенным в холодильных камерах, откуда он посту-
пает обратно в бак.
Охлажденным раствором поваренной соли температу-
ру в холодильниках можно понизить до —16°, а рассолом
хлористого кальция до —50°.
В домашних электрохолодильниках за последние годы
применяют новые холодильные агенты, известные в хо-
лодильной технике под названием фреонов.
Фреоны — это химические соединения, в состав кото-
рых в разных соотношениях входят: углерод, фтор, хлор,
а иногда и водород. Каждому фреону присвоен свой
158
номер. Особое значение приобрел дифтордихлорметан
(CF2C12), названный фреоном 12.
Фреоны — по преимуществу безвредные вещества, не
обладающие запахом. Их применение в холодильной тех-
нике, при некоторых конструктивных изменениях в си-
стеме, позволяет получать температуру до —100°.
Электрохолодильник <ЗИС Москва» (общий вид) и его холодильный
грегат'автомат:
1 — испаритель 2 — конденсатор; 3 — трубопроводы; / — прибоо автома-
тики; 5 — компрессор с электродвигателем.
Искусственный холод на службе у человека
Низкие температуры нашли себе разнообразное при-
менение в народном хозяйстве, но особенно большое зна-
чение искусственный холод имеет в пищевой промышлен-
ности.
А. И. Микоян в 1936 году на 2-й сессии ЦИК СССР
охарактеризовал значение искусственного холода в пище-
вой промышленности следующими словами: «Ничто так
не характеризует технический уровень пищевой промыш-
ленности, как цифры применения искусственного холода.
159
Значение внедрения холода в пищевой промышленности
можно сравнить разве только со значением электрифика-
ции в промышленности».
В чем же заключается причина порчи пищевых про-
дуктов при обычной температуре?
Основная причина лежит в жизнедеятельности раз-
личных микроорганизмов, которые при обычной комнат-
ной температуре быстро развиваются в пищевых продук-
тах.
Наиболее эффективным средством борьбы с микро-
организмами является холод. Однако при низкой темпе-
ратуре микроорганизмы не погибают, их жизнедеятель-
ность лишь резко сокращается. При повышении темпера-
туры разрушительная работа микроорганизмов возобнов-
ляется, поэтому первейшим условием сохранения скоро-
портящихся продуктов является их охлаждение до разви-
тия в них микроорганизмов.
Чтобы охладить мясо непосредственно после убоя
скота, рыбу сразу же после ее улова, плоды после их сбо-
ра, на мясокомбинатах, на рыболовных промыслах и
больших рыболовных судах, в совхозах и крупных колхо-
зах имеются производственно-заготовительные холодиль-
ники.
Эти холодильники обеспечивают сохранение продук-
тов в охлажденном виде непродолжительное время до
отправки их на крупные распределительные холодильни-
ки, находящиеся вблизи районов потребления. В распре-
делительных холодильниках продукты подвергают быст-
рому замораживанию. В замороженном виде скоропортя-
щиеся продукты могут сохраняться в течение нескольких
месяцев.
Многочисленные научные исследования, проведенные
в области сохранения скоропортящихся пищевых продук-
тов, показывают, что при температуре —18° заморожен-
ное мясо, рыба, птица могут сохраняться в течение
10—12 месяцев. Яйца при температуре —2° сохраняют
свои качества в течение 9 месяцев. Яблоки и груши при
температуре —1° не теряют своих свойств и вкусовых
данных в продолжение 10 месяцев.
В зависимости от характера продукта в холодильниках
создают и постоянно поддерживают необходимую темпе-
ратуру.
160
Если бы искусственный холод использовали только на
сохранение скоропортящихся пищевых продуктов, то и
одного этого было бы вполне достаточно, чтобы оправдать
тот огромный труд, который был вложен человеком на
развитие теории и практики холодильного дела. Но затра-
ченный труд оказался более благодарным.
Нелегко перечислить все отрасли науки и техники, где
с большой пользой применяется искусственный холод.
Их можно насчитать болер 250, но остановимся лишь на
некоторых из них.
Кроме описанного способа применения глубокого хо-
лода в машиностроительной промышленности для насад-
ки крупных деталей на вал, искусственный холод приме-
няется для термической обработки металлов. Инструмен-
ты, обработанные холодом, изнашиваются значительно
медленнее, а ответственные детали машин работают
дольше.
Особенно широко применяется холод в химической
промышленности. Насколько велико потребление холода
некоторыми химическими заводами, видно из того, что
холодильные установки специальных цехов обладают
холодопроизводительностью на 10 миллионов килокало-
рий в час.
Интересно отметить, что холод, получающийся испаре-
нием аммиака, применяется и для производства самого
аммиака из коксового газа.
Производство анилиновых красок не может обойтись
без применения холода. Так, например, промежуточный
продукт производства паранитроанилин получают путем
обработки ацетанилина смесью азотной и серной кислот.
Нитрация протекает чрезвычайно бурно с выделением
большого количества теплоты. Чтобы направить реакцию
в нужную сторону и получить продукт высокого качества,
необходимо систематически отводить теплоту. Техни-
чески это осуществляется пропусканием охлажденного
рассола через рубашку аппарата, в котором протекает
реакция.
Много холода потребляют нефтеперегонные заводы.
Один из способов очистки нефти основан на том, что бога-
тые водородом алифатические соединения отделяют от
бедных водородом ароматических соединений путем при-
бавления жидкого сернистого газа. Наиболее полное раз-
161
деление достигается при низких температурах. Этот спо-
соб рафинировки нефти осуществляется при температуре
—10°, которая достигается испарением аммиака.
При очистке тяжелых масел на нефтеперегонных за-
водах, используя искусственный холод, получают высоко-
сортные масла и ценный продукт — парафин. Постепенно
снижая температуру тяжелого масла до —40°, парафин
полностью вымораживают. При этом отделяют такие сор-
та масел, которые не замерзают даже при очень низких
температурах.
При получении глауберовой соли (Na2SC>4 • ЮН2О)
наиболее рациональным способом ее выделения из маточ-
ного раствора, в котором содержится также большое ко-
личество хлористого магния (MgCl2), считается охлажде-
ние раствора до 0°. При этом глауберова соль почти пол-
ностью выкристаллизовывается и выпадает в осадок,
а хлористый магний остается в растворе. И здесь на по-
мощь производству приходит искусственный холод.
В коксохимической промышленности искусственный
холод используется для очистки газа. В сыром газе, полу-
чаемом сухой перегонкой угля, содержится много приме-
сей, которые затрудняют его транспортировку по трубам.
К этим примесям в первую очередь относится нафталин.
При низких температурах нафталин выпадает в виде сне-
гообразных кристаллов, осаждается на стенках трубопро-
вода и забивает его. Охлаждая газ до его транспортиров-
ки потребителям, из него выделяют основную часть
нафталина, влагу и частично очищают от смолистых ве-
ществ.
Искусственный холод необходим в производстве ис-
кусственного волокна и в особенности в производстве
синтетического каучука. На вискозных фабриках, произ-
водящих одну тонну продукции в сутки, требуется холо-
дильная установка в сто тысяч килокалорий в час, а для
производства одной тонны синтетического каучука — до
двухсот тысяч килокалорий <в час; при этом следует
учесть, что некоторые технологические процессы ведутся
при температуре —70°.
Холод с большой пользой применяется в кожевенной
промышленности, при сахароварении, в винодельном про-
изводстве, на парфюмерных и мыловаренных заводах,
а также на многих других предприятиях.
162
Особенно интересно применение холода в горнорудном
деле. При наличии водоносных грунтов, плывунов или
оползней, устройство подземных сооружений сопряжено с
огромными трудностями.
Искусственное замораживание грунта при проходке
шахт было впервые применено в Советском Союзе при
строительстве Соликамского калийного комбината в
1928—1929 годах. Использование искусственного холода
помогло шахтерам в короткий срок решить сложную тех-
ническую задачу.
В 1933 году этот передовой метод проходки стволов и
наклонных шахт был широко использован на строитель-
стве московского метрополитена. В дальнейшем усовер-
шенствованные методы искусственного замораживания
водоносных грунтов стали с успехом применяться на стро-
ительстве доков, туннелей, плотин, гидроэлектростанций,
фундаментов под различные крупные сооружения.
По объему разнообразных работ, выполняемых при
замораживании грунтов, Советский Союз намного опере-
дил все капиталистические страны, вместе взятые.
Искусственный холод помогает не только плодотворно
работать, но и культурно отдыхать.
Современные клубы, кино, театры и другие обществен-
ные здания оборудованы специальными установками, ко-
торые позволяют поддерживать определенную темпера-
туру и влажность воздуха в этих зданиях в любое время
года.
В жаркий августовский день 1945 года, во время Все-
союзного физкультурного парада в Москве, в колонне
спортивного общества «Большевик» медленно двигалась
грузовая машина. На платформе машины физкультурни-
ки, одетые в легкие спортивные костюмы, демонстрирова-
ли свое искусство в излюбленном зимнем виде спорта и
показывали мастерство фигурного катания на коньках.
Это необычное зрелище вызвало всеобщий восторг и
надолго запомнилось участникам парада.
Искусственный каток на грузовой машине был соору-
жен в Научно-исследовательском холодильном институте
с помощью аммиака. Платформа грузовика была покрыта
теплоизоляционным материалом, поверх которого устано-
вили поддон из листового железа. На дно*поддона поло-
жили змеевик из металлических труб, который был сверху
1W
залит крепким рассолом поваренной соли. Змеевик под-
ключили к холодильной машине и в нем начали испарять
жидкий аммиак. Рассол постепенно замораживался и, на-
конец, образовалась толстая ледяная плита с гладкой по-
верхностью.
Запас холода в ледяной плите был настолько велик,
что в течение 16 часов лед оставался крепким даже в тот
жаркий летний день.
Летом 1950 года в Москве, в детском парке Дзержин-
ского района, был построен искусственный каток, доста-
вивший много удовольствия детям. 18 июля 1954 года в
этом же парке, среди зелени и цветов, был открыт посто-
янно действующий ледяной театр, а 22 апреля 1956 года
на летнем катке в Сокольниках между спортивными
командами состоялись первые матчи на первенство СССР
по хоккею с шайбой.
В настоящее время благодаря усовершенствованиям,
внесенным советскими инженерами, в Москве, Ленингра-
де, Львове и других городах оборудуются большие искус-
ственные катки, на которых спортсмены этих городов смо-
гут в теплые летние дни заниматься зимним видом спорта.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Газ, «не поддерживающий жизни»............................. 3
Свойства азота ............................................ 6
Физические свойства азота.............................. 6
Химические свойства азота............................. 14
Изотопы азота......................................... 18
Азот в природе............................................ 20
Состав воздуха ....................................... 20
Азот в недрах земли................................... 22
Происхождение селитры................................. 24
Из истории применения естественных и искусственных
удобрений........................................... 30
Азотфиксирующие бактерии.............................. 40
Азотные удобрения..................................... 47
Питание растений ...................................... 55
Азот — неотъемлемая составная часть белка............. 59
Круговорот азота в природе.............................  65
Азотные соединения........................................ 68
Получение азотных соединений из природного сырья . .	68
Научные обоснования производства селитры ............. 70
Дуговой способ получения азотной кислоты.............. 72
Получение азотных соединений при газификации и кок-
совании углей...............................	73
Цианамидный метод фиксации азота...................... 76
Получение азота и водорода ........................... 78
Синтез аммиака......................................... 91
Получение синтетической азотной кислоты............... 97
Азот в народном хозяйстве.................................. 109
Возникновение азотной промышленности................... 109
Производство синтетических азотных удобрений ....	112
Искусственное волокно ................................. 123
165
Медно-аммиачный шелк	.	. .................129
Шелк из смолы...................................... 134
Промышленное применение искусственного и синтетиче-
ского волокна ....................................135
Взрывчатые вещества............................ 138
Использование взрывчатых	веществ	в	народном	хозяйстве	145
Искусственный холод............................ 152
Искусственный холод на	службе	у	человека	.....	159
Владимир Исаевич Медведовский
Азот
•
Утверждено к печати
редколлегией научно-популярной литературы
Академии наук СССР
*
Редактор издательства А. П. Пурмаль
Технически! редактор Е. В. Маку ни
•
РИСО АН СССР № 38-116В. Сдано в набор 8/IX—1956 г.
Подп. в печать 27/11—1957 г. Формат бум. 84Х1081 и
Печ. л. 5,25-8,61 усл. печ. л. Уч.-изд. лист. 8,4. Изд. № 1554.
Тираж 10000 экз. Т-00094. Тип. зак. 876.
Цена 2 р. 50 к.
Издательство Академии наук СССР.
Москва Б-64, Подсосенский пер., д. 21
2-я типография Издательства АН СССР.
Москва Г-99, Шубиискчй пер., Д- 10
2 р.  к.