Книга по химии для домашнего чтения - Борис Степин

1.33. «ЯМЧУГ», ИЛИ СЕЛИТРА

В 1749 г. М. В. Ломоносов написал диссертацию «О рождении в природе селитры».

Селитрой называли в прошлом нитрат калия KNO3. Она носила в России и другое название — «ямчуг», от слова «яма» (см. 1.34, 3.20). В ямах заготавливали сырье для производства KNO3: навоз, мочу, строительный мусор, остатки растений и др. Селитра образовывалась через два-три года в результате естественных биохимических процессов. Землю, извлекаемую из ям по истечении указанного срока, называли «селитряной землей». Для извлечения селитры «селитряную землю» обрабатывали водой, добавляя карбонат калия K2CO3 (см. 1.18), отфильтровывали и осторожно выпаривали досуха. Добавление K2CO3 приводило к превращению нитрата кальция Ca(NO3)2, содержащегося в «селитряной земле», в нитрат калия KNO3, извлекаемый водой, что увеличивало выход селитры. Нерастворимым остатком был карбонат кальция CaCO3:

Ca(NO3)2 + K2CO3 = 2 KNO3 + CaCO3↓.

Из одного кубометра «земли» получали 6–13 кг селитры с содержанием KNO3 до 60–70%. В России к 1801 г. природную и искусственную «селитряную землю» уже перерабатывали 100–107 селитряных мастерских, производя в год около 500 т селитры.

В Средние века в Европе отскабливание селитры с глиняных стен домов было королевской привилегией. Стены делались из животных отбросов, садовой земли, смешанных с известью, глиной и соломой. Со временем на стенах появлялись белые налеты селитры. Шведские крестьяне, например, были обязаны платить часть своего оброка селитрой.

C 1845 г. в Россию стали завозить более дешевую чилийскую, или натриевую, селитру NaNO3, и производство селитры из «селитряной земли» стало резко падать. Для изготовления пороха годилась только калиевая селитра KNO3: натриевая селитра жадно поглощает влагу из воздуха, порох становится сырым и невоспламеняемым (см. 1.34). Для превращения NaNO3 в KNO3 к нагретому концентрированному водному раствору нитрата натрия добавляли хлорид калия КСl; при этом в осадок выпадал хлорид натрия NaCl, а из охлажденного фильтрата кристаллизовался нитрат калия KNO3:

NaNO3 + KCl ↔ KNO3 + NaCl↓.

Основными потребителями селитры в прошлые века были пороховые заводы и мастерские по производству азотной кислоты — «селитряной кислоты».

Современные методы производства KNO3 основаны на взаимодействии гидроксида калия KOH или карбоната калия K2CO3 с азотной кислотой:

KOH + HNO3 = KNO3 + H2O, K2CO3 + 2HNO3 = 2 KNO3 + CO2↑ + H2O.

1.34. СЕЛИТРА, СЕРА И ВОЙНА

В одном из декретов Конвента Франции (1790 г.) говорилось: «Всем и каждому промывать землю из своих погребов, конюшен, овчарен и коровников… те, кто пренебрег бы обязанностью извлекать из недр земли основной элемент оружия для поражения тиранов, были бы подлецами или контрреволюционерами».

Речь шла о получении селитры — нитрата калия KNO3. После Французской революции 1789 г. Франция из-за блокады была лишена импорта селитры из Чили. Пороховые заводы остались без основного сырья, ведь в состав пороха обычно входит 75% селитры, 15% древесного угля и 10% серы. Этот состав был найден случайно (см. 9.5). Реакцию горения пороха отражает уравнение

6KNO3 + 2S + 3С = 2K2SO4 + K2CO3 + CO2↑ + CO↑ + 3N2↑ + 2O2↑.

Порох — не взрывчатка, порох — топливо, которому не нужен кислород воздуха, ему достаточно своего кислорода, находящегося «в основном элементе оружия» — селитре.

Московская Русь познакомилась с порохом еще в XIV в. Из летописей известно, что в 1382 г. москвичи уже обороняли свой город от войск татарского хана Тохтамыша с помощью огнестрельного оружия. Но первые упоминания о методе производства пороха в России относятся к 1607 г. («Устав о воинском деле», написанный по указанию Василия Шуйского).

Порох был открыт в Китае. В 682 г. философ-химик Сунь Сы-Мяо описал его состав и рецепт приготовления. Позднее, в XII в., в Китае появилось и первое огнестрельное оружие — бамбуковая трубка, заряженная порохом и пулей. В Европе о китайском рецепте изготовления пороха почти одновременно узнали монахи Роджер Бэкон (см. 25) и Бертольд Шварц (см. 9–5), а также немецкий алхимик и философ Альберт фон Больштедт, назвавший себя «Альбертом Великим» (1193–1280). Уже в 1346 г. в битве при Креси (Франция) английские войска, впервые применившие огнестрельное оружие, одержали решительную победу над закованными в железо французскими рыцарями.

1.35. ПОРОХ И «ГРЕЧЕСКИЙ ОГОНЬ»

В книге Я. Бухнера «Учение и практика артиллерии», изданной в 1711 г., сере дано следующее определение: «Сера есть минеральный корпус, из жирных и огнь приемлющих частиц, от нее же проницательство и крепкогоримый огнь».

В России при Иване IV Грозном и Петре I, располагавшими большой артиллерией, серу в основном применяли для получения черного пороха (см. 1.34). Тем не менее производство серы в России всегда было невелико. Использовали преимущественно серу, привозимую из Сицилии. Природные запасы серы в России были, однако, значительны. В XVI в. важнейшее месторождение природной серы располагалось вблизи г. Самары. Самарский серный завод в 1710 г. выпустил около 11 т серы. Для защиты завода от частых нападений вокруг него соорудили вал, построили острог и башню для караула. Другим важным для того времени месторождением серы были «Шамилевские копи» на Кавказе вблизи аула Чиркат в Дагестане. Вождь восстания Шамиль (1798–1871), которому требовалось большое количество черного пороха для борьбы против царских войск, получал серу из этого аула. В 1883 г. здесь добыли 500 т серы.

Природную серу переплавляли и перегоняли из глиняных кувшинов и отливали в форме палочек. Сера считалась хорошей, если она протекала между двух нагретых «железных блях яко воск без вони».

Сера входила во все составы «греческого огня» — смеси, использовавшейся в войнах до изобретения пороха. Эта смесь содержала также битум или нефть, иногда селитру (см. 1.33), и оксид кальция CaO. «Греческий огонь» был древним эквивалентом современного напалма. Он хорошо прилипал к поражаемым объектам и горел в присутствии воды. Вода взаимодействовала с CaO с большим выделением теплоты (см. 3.23). Впервые «греческий огонь» был применен византийцами около 680 г. н.э. в морском бою против арабов. Огневые галеры византийцев выбрасывали зажженную заранее жидкую смесь из устройств, подобных огнеметам, на неприятельские суда. В 941 г. н.э. под стенами Царьграда «греческим огнем» был уничтожен флот киевского князя Игоря. Состав «греческого огня» считался строжайшей государственной тайной.

1.36. ПРАВ ЛИ БЫЛ КАПИТАН НИКОЛЬ?

«Капитан Николь предсказывал, …что если спуск… четыреста тысяч фунтов пироксилина в пушку… сойдет благополучно, то эта взрывчатая масса сама собой взорвется, как только ее придавит тяжелый снаряд».

(Жюль Верн, «С Земли на Луну».)

В 1846 г. двумя немецкими химиками — Кристаном-Фридрихом Шёнбейном (1799–1868) и Рудольфом Бёттгером (см. 1.32) — независимо друг от друга был получен нитрат целлюлозы — пироксилин. По другим данным, пироксилин впервые получил еще в 1833 г. Анри Браконно (1780–1855) — французский химик, член Парижской академии наук. Целлюлоза — высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в волокнистых тканях и клеточных оболочках растений, состава [C6H7O2(OH)3]n, где n — степень полимеризации, или длина цепи молекул полисахарида. Пироксилин образуется при действии смеси концентрированных азотной HNO3 (см. 1.48) и серной H2SO4 (см. 1.49) кислот на целлюлозу — вату, бумажное тряпье, отходы бумаги и др.:

[C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 = [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nН2O.

Пироксилин — бесцветная порошкообразная масса, часто имеет вид обыкновенной ваты, не взрывается при зажигании, а лишь сгорает с большой скоростью без выделения дыма, причем образуется объем газообразных веществ, в 3 раза больший, чем при сгорании черного пороха. Пироксилин взрывается только от удара и взрыва других веществ — детонаторов. Именно по этой причине в 1848 г. взлетел на воздух завод в Ле Бурже близ Парижа — первый завод, производивший пироксилин.

Медленно опускаемый снаряд героев Жюля Верна не мог вызвать взрыва пироксилина, хотя в пушку для полета на Луну было заложено 181 600 кг этого вещества (напомним, что один английский и американский фунт равен примерно 454 г).

В России производство пироксилина для получения бездымного пороха началось с 1893 г. Д.И. Менделеев (см. 2.13) в 1890–1893 гг. предложил на основе зарубежного опыта и своих работ технологию производства пироксилина, названного им пироколлодием.