Раздел 7. Техника индустриальной цивилизации
Волшебство химических превращений
Основная химическая промышленность
В конце XIX и в течение XX в. продолжает развиваться основная химическая промышленность, т. е. производящая серную кислоту, соду, хлор и т. п.
В связи с открытием синтетического метода получения ализарина, синтетических азокрасителей и организацией их промышленного производства в 70-х годах XIX в. возросла потребность в дымящейся концентрированной серной кислоте (олеуме), для получения которой использовался контактный способ катализа. Крупный вклад в развитие каталитического способа производства серной кислоты внес немецкий химик К.А. Винклер. В 1875 г., применив в качестве катализатора платину, он получил серную кислоту из сернистого газа и кислорода воздуха. В последующем учеными были найдены другие катализаторы, позволившие увеличить скорость химических реакций.
В 90-х годах XIX в. немецкий ученый Р. Книч, проведя большую работу по определению оптимальных условий процесса получения серной кислоты контактным способом, установил точную температуру и время контактирования газа с катализатором. В начале XX в. для получения серной кислоты чаще всего используют контактный метод, с помощью которого в 1912 г. получают до 60 % общего количества серной кислоты.
В 1890-х годах аммиачный процесс в значительной степени потеснил производство соды по способу Леблана, а к началу XX в. содовое производство полностью перешло на метод Сольве.
Наряду с производством соды большое внимание уделялось созданию высокоэффективных моющих средств. С древнейших времен для стирки применялся щелок из древесной золы. В новейший период омыление жиров и масел для получения жирных кислот 1 было усовершенствовано за счет использования перегретого пара.
1 Мыло представляет собой растворимые в воде натриевые и калиевые соли жирных кислот.
Во второй половине XIX в. был разработан и получил широкое применение метод отвердевания жиров — жира морских животных и рыб (ворвани), а также растительных масел. Усовершенствование этого метода сделало возможным широкое производство маргарина.
Развитие текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности повлекло за собой повышение спроса на хлор и хлорную известь. Традиционный способ получения хлора состоял во взаимодействии соляной кислоты с двуокисью марганца. Однако этот процесс был очень дорогим. В 1867 г. химик В. Вельдон (Германия) нашел способ превращения хлороводорода в хлор с последующим изготовлением из него белильной извести. В 1872 г. Г. Дикон предложил способ окисления хлороводорода до хлора кислородом воздуха путем контактного окисления. Катализатором при этом служил битый кирпич, пропитанный сульфатом меди.
Все эти способы явились основой создания в различных странах мира химической промышленности по производству хлора и хлорсодержащих продуктов.
В 1879 г. в России Н.Г. Глухов и Ф. Ващук предложили получать едкий натр и хлор электрохимическим путем. Немецкий инженер К. Хенфнер в 1884 г. усовершенствовал этот процесс. К тому же времени относятся первые опыты получения хлора в заводских условиях. В 1890 г. в Германии начал давать продукцию первый электрохимический завод. С 1895 г. электрохимическим путем стали получать хлор в России на Славянском заводе (ныне Украина). Родоначальниками идеи производства хлора и едкого натра в электролизах с ртутным катодом были Л.П. Лидов и В.А. Тихомиров (1883 г.). Однако практическое решение этой проблемы принадлежит американским инженерам Г. Кастнеру и К. Кельнеру, получившим патент в 1894 г.
В конце XIX — начале XX в. электролиз с ртутным катодом был внедрен на заводах многих стран мира: в Германии в 1896-1897 гг., в Бельгии — в 1897, в Англии — в 1903 г. В России способ Кастнера — Кельнера стал использоваться с 1900 г. на Лисичанском заводе (Украина).
Производство бумаги из целлюлозы
В связи с увеличением производства печатной продукции возросла потребность в бумаге. Традиционного сырья (ткань, тряпье) для ее производства не хватало. Необходимо было найти материал, заменяющий недостающее сырье.
Таким сырьем стала хвойная древесина. Ho одна лишь механическая переработка древесины в измельченную волокнистую массу не давала желаемого результата. Различные растительные жиры, красящие вещества, лигнин и смолы, остававшиеся в древесной массе, снижали качество бумаги: она была желтой, ломкой и недолговечной. Для производства качественной бумаги из древесины необходимо было выделить ее волокнистую часть — целлюлозу.
Впервые это удалось сделать английскому химику Ф.Б. Хаутону в 1857 г. Он обработал древесную массу горячим раствором каустической соды. В 1866 г. американский инженер, немец по происхождению, Б. Тильгман разработал способ получения целлюлозы с помощью серной кислоты. В 1876 г. его соотечественник А. Мичерлих предложил высокопроизводительный способ получения сульфитцеллюлозы.
Химическое производство целлюлозы явилось важным этапом в развитии бумажного дела.
Искусственные материалы
Особое значение с конца XIX в. приобрела химическая технология искусственных и синтетических веществ. Их производство дало новые материалы для строительного дела, машиностроения, электротехники, текстильной промышленности, автомобильного транспорта и т. д.
Первые исследователи стремились получать искусственные вещества путем химических превращений известных и проверенных на практике природных материалов. Эти вещества стали называться суррогатами (заменителями)?
Развитие химических технологий создало предпосылки для получения искусственных материалов и веществ, не уступающих природным, а иногда и превосходящих их по качеству.
В конце XIX — начале XX в. искусственные вещества перестают рассматриваться только как суррогаты. Производство в это время ориентируется уже не на использование природных материалов, а на применение продуктов переработки нефти, каменного угля, газа и т. д. Производимые в результате такой переработки новые вещества и материалы, не встречающиеся в природе, получили название синтетических.
В конце XIX в. впервые создаются вещества, именуемые теперь пластмассами. Начало этому положил А. Паркес, получивший в 1865 г. ксилонит из смеси нитроцеллюлозы, спирта, камфоры и касторового масла. В 1868 г. Дж.У. Хайеттом (США) был получен целлулоид, позднее вошедший в самый широкий потребительский обиход в качестве пленок, расчесок, кукол, «пластического стекла», жестких воротничков и т. д. В 1885 г. был получен галалит, который стал использоваться как заменитель кости, рога, янтаря, коралла и пр.
В 1906 г. американский химик бельгийского происхождения Л.Г. Бакеланд (Бейкленд) получил синтетические смолы из фенола (карболовая кислота) и формальдегида. Эта разновидность фенопластов под названием бакелит 2 стала ценным материалом для электротехнической промышленности, обладающим высокими изоляционными, механическими и антикоррозийными свойствами.
2 Бакелит в настоящее время называется резолом.
В России производство фенопластов «карболит» по технологии Г.С. Петрова было налажено в 1914 г. на заводе синтетических смол в г. Орехово-Зуево.
Увеличение производства изделий из натурального каучука привело к повышению цен и спроса на сырой каучук. В различных странах стали искать суррогаты натурального каучука. В конце XIX столетия в результате обработки различных масел серой при высокой температуре был получен масляный каучук. Однако по своим качествам он уступал натуральному каучуку.
В 1860 г. Г. Уилсон получил изопрен, который в 1875-1879 гг. французский химик Г. Бушарда с помощью соляной кислоты уплотнил в каучукообразное вещество. В 1882 г. английский химик У.О. Тилден получил изопрен путем сухой перегонки, а в 1884 г. — при термическом разложении скипидара.
В 1896 г. русский химик В.Н. Ипатьев осуществил синтез изопрена из ацетилена и ацетона. В 1899 г. И.Л. Кондаков — ученик А.М. Бутлерова — добыл путем полимеризации одного из углеводородов белое губчатое каучукообразное вещество. В 1908-1909 гг. С.В. Лебедев при полимеризации дивинила также получил каучукоподобное вещество и изучил его свойства. Так был получен синтетический каучук, а его производство в промышленном масштабе впервые было осуществлено в СССР в 1931-1932 гг.
Помимо каучука стала широко применяться гуттаперча, получаемая из смолы некоторых южных растений. По своему составу и свойствам гуттаперча была близка к натуральному каучуку, но отличалась большей твердостью и меньшей эластичностью. Гуттаперча-использовалась как изоляционный материал для изготовления подводных кабелей, химических инструментов, предметов домашнего обихода, пломбирования зубов и т. д.
Огромное значение приобрел в это время синтез аммиака — исходного вещества для производства азотной кислоты и ряда других азотистых соединений. He только красильная промышленность или производство азотных удобрений, но даже и военная промышленность (изготовление взрывчатых веществ) зависела от синтеза азотистых соединений. В химической промышленности еще до Первой мировой войны было разработано несколько способов получения связанного азота из воздуха.
В 1903 г. в Норвегии построили завод по производству азотной кислоты. Здесь при использовании дешевой гидроэнергии азот из воздуха в пламени электрической дуги превращался в монооксид азота. Однако такая технология требовала большого количества электроэнергии. Производство синтетического аммиака было налажено во Франции и создало необходимые предпосылки для получения азотной кислоты. Эту задачу решили В. Освальд и Э. Бауэр, осуществившие в 1900-1902 гг. каталитическое окисление аммиака. Первая промышленная установка по производству азотной кислоты из аммиака была запущена в 1908 г.
Более успешным был способ получения аммиака путем синтеза азота и водорода под высоким давлением, открытый в 1903-1913 гг. немецкими учеными Ф. Габером и К. Бошем.
В 1915 г. могущественный концерн БАСФ 3 в Германии на одном из своих заводов наладил промышленное производство аммиака по собственной технологии (до 10 т ежедневно). К концу того же года выпуск аммиака на этом заводе возрос до 35 тыс. т.
3 Баденские анилиновые и содовые фабрики.
Бурное развитие текстильного и деревообрабатывающего производства, целлюлозно-бумажной и кожевенно-обувной промышленности повлекло за собой повышение спроса на красители. Однако производство органических красителей, получаемых из «красильных растений» и из животных организмов, а также минеральных красок было недостаточным и очень дорогим. Решение вопроса лежало в направлении получения синтетических красителей.
В 1868 г. К. Грабе и К. Либерман открыли синтетический метод получения ализарина. В 1871 г. Г. Каро синтезировал красные азокрасители.
Индиго («король красителей») получали прежде из индигоносных растений. С 1866 г. занимавшийся этой проблемой немецкий химик А. Байер в 1880 г. получил синтетический индиго. Промышленное производство этого красителя было налажено в 1897 г. в Германии на предприятиях концерна БАСФ. В 1901 г. ведущий химик концерна Р. Бон создал синий краситель индантрен. Окрашенные этим красителем изделия не выцветали и не портились от влаги.
К концу XIX в. ведущие позиции в мире по производству синтетических красителей заняла германская промышленность.
Переработка нефти
Напомним, что до конца XIX в. самым ценным продуктом перегонки нефти считался керосин. Бензину, составлявшему 6-12 % от массы перегоняемой нефти, придавали мало значения. Мазут — основная составляющая часть (60-70%) перерабатываемой нефти — считался отходами производства.
В конце XIX в. во многих странах в связи с растущей потребностью в легком жидком топливе для двигателей внутреннего сгорания начались поиски способов переработки нефти с высоким выходом бензина. Они завершились введением так называемого крекинг-процесса, т. е. метода разложения нефти при высоких давлениях и температурах. Основы этого метода были заложены Д.И. Менделеевым в 1880 г. Особая роль в разработке крекинг-процесса принадлежит В. Шухову и С. Гаврилову. В 1891 г. они научно обосновали и сконструировали установку для глубокого разложения нефти. Оригинальные схемы крекинг-процесса были предложены в 1895 г. А.Н. Никифоровым и в 1911 г. — С.К. Кватко. По проекту Никифорова в 1901 г. был сооружен нефтеперерабатывающий завод в Кинешме — первый опыт промышленного использования крекинг-процесса.
Аналогичные изыскания велись и в США. В 1913 г. У. Бартон разработал термический крекинг-процесс, в результате которого можно было переводить в бензин почти половину добываемой нефти. В 1916 г. этот процесс был освоен в промышленном производстве.
Перед Первой мировой войной был получен синтетический бензин. Русские химики (школа А.Е. Фаворского) еще в 1903-1904 гг. открыли способ получения легкого жидкого горючего из твердого топлива, но промышленность царской России не использовала этого крупнейшего достижения русской технической мысли. Разработку промышленного производства легкого жидкого горючего из угля осуществил в 1913 г. немецкий инженер Ф. Бергиус. Для Германии, не располагавшей естественными нефтяными ресурсами, это имело первостепенное экономическое и военное значение.
Перегонка нефти стала источником получения смазочных масел. До конца XIX в. для смазывания широко применяли растительные и животные жиры. Минеральные смазочные масла появились в практике в 60-х годах XIX в.; их получали из сланцевого и каменноугольного дегтей.
Первым минеральным маслом на нефти стал вазелин, который получили в CШA в 1871 г. После демонстрации на Филадельфийской торговой выставке в том же году вазелин широко распространился в различных областях производства, а также в быту и медицине.
Кстати, один из туалетных сортов вазелина именовался «Чизбровазелин». Название «вазелин» в 1872 г. было составлено американцем Р. Чизбро из слогов «вас» (от немецкого wasser— «вода»), «ел» (от греческого «элейон» — «масло», ср. старинное «елей») и обычного окончания названий аптекарских товаров — «ин». В западных странах это слово стало употребляться с 70-х, а в России — с 80-х годов XIX в.
Минеральные масла из нефти впервые были получены (по идее Д.И. Менделеева) в 1876 г. в г. Балахна нефтепромышленником В.И. Рагозиным. Из мазута, составлявшего 60-процентный остаток перегонки бакинской нефти, на русских нефтеперегонных заводах стали получать соляровые, веретенные, машинные и цилиндровые масла. С 80-х годов XIX в. было налажено производство парфюмерных масел, получавшихся в результате вторичной перегонки солярового масла. Образцы русских минеральных масел в 1878 г. с успехом экспонировались на промышленной выставке в Париже и составили конкуренцию американским смазочным материалам.
Вопросы и задания:
1. Какие технические новшества появились в основном химическом производстве в начале XX в.?
2. Какое значение имело применение целлюлозы в производстве бумаги?
3. Составьте схему «Производство и применение искусственного каучука».
4. В чем суть крекинг-процесса? Какие продукты могут быть получены этим путем?
5. Составьте тезисы по теме «Производство пластмасс».
