3.2. Нитроцеллюлоза
Представьте себе такую картину: вы сидите на кухне, а позади вас у источника тепла сохнет влажный фартук. Неожиданно за спиной вы слышите громкий хлопок, оборачиваетесь и видите, как фартук почти моментально исчезает в языках пламени. Примерно такое произошло с химиком Кристианом Фридрихом Шёнбейном, который уже упоминался в рассказе про озон.
Легенда говорит, что Шёнбейн имел привычку брать работу на дом, проводя на кухне разнообразные химические эксперименты, чему (и это можно понять) категорически противилась его жена Эмили. Легенда говорит, что в один из прекрасных дней 1846 года (более точная дата этого события неизвестна) Шёнбейн, как обычно, химичил на кухне, и ему потребовалось нагреть смесь концентированных азотной и серной кислот на плите. Что-то, как обычно в таких случаях, пошло не так, колба треснула, и ее содержимое разлилось по полу кухни. На счастье Шёнбейна, его жена отлучилась куда-то по делам, и он, чтобы замаскировать следы преступления, решил протереть пол первым, что подвернется ему под руку. Ну а что поделать – мужчина всегда остается мужчиной, даже если на дворе XIX век, а мужчина – профессор химии Базельского университета, автор понятия «геохимия» и крёстный отец озона. Первым под руку Шёнбейна подвернулся хлопковый фартук Эмили, которым он и протер горячую разлитую смесь кислот, после чего, чтобы скрыть от благоверной следы преступления, повесил фартук просушиться. Как становится понятно сейчас, Кристиан Фридрих даже не отмыл фартук от кислот водой, и в конце концов сохнущий фартук изобразил волшебное исчезновение с акустическими и световыми спецэффектами.
Конечно же, история умалчивает о том, как этот инцидент повлиял на семейную жизнь четы Шёнбейн, но для развития химии оказался очень ценным. Сам того не желая, Шёнбейн пронитровал основной компонент хлопкового фартука супруги – целлюлозу, получил образец искусственного полимера – тринитроцеллюлозы и определил, что это производное целлюлозы обладает значительной взрывчатой силой. Дальнейшее исследование показало, что нитроцеллюлоза, известная также под названиями «нитроклетчатка» и «пироксилин», по мощности в несколько раз превосходит дымный порох. Справедливости ради, первый образец нитроцеллюлозы был получен лет за десять до «кухонного инцидента», в 1830-е годы, но синтезировавший его Анри Браконно не посвятил достаточно времени изучению свойств нитроцеллюлозы, пропустив тем самым, что этот искусственный полимер может быть взрывчатым веществом. Тут нужно уточнить, что «искусственными» называют полимеры, которые получают, изменяя строение и состав уже готовых природных макромолекул, а «синтетическими» – полимеры, исходным сырьем для производства которых являются вещества с небольшой молекулярной массой, полученные в результате нефтепереработки (чаще) или переработки отходов растительного сырья (реже). Взрывоопасность тринитроцеллюлозы и ее склонность самовозгораться при нагревании связана с тем, что три нитрогруппы на одно структурное звено полимера обеспечивают пироксилину большое значение кислородного баланса, а в одном из рассказов выше уже было написано, что чем больше в веществе кислорода, тем с большей громкостью и мощностью оно взрывается.
В молодости Шёнбейн получил хорошее образование во Франции и Великобритании, его коммуникабельность позволила ему еще в молодости обзавестись знакомствами и подружиться и с учёными, одним из которых был Майкл Фарадей, и с другими известными современниками, например – автором «Трёх мушкетеров» Александром Дюма. Поняв, что в ходе эксперимента с фартуком было получено что-то интересное, Шёнбейн отправил образцы тринитроцеллюлозы Фарадею и другим своим британским коллегам, а другу Дюма – письмо следующего содержания: «…мне кажется, что я разработал очень простой метод превращения хлопка в материал, обладающими всеми свойствами, необходимыми для метательного взрывчатого вещества…»
Энтузиазм Шёнбейна можно было понять – прошла почти половина XIX века, а метательным, как, впрочем, и коммерческим взрывчатым веществом оставался дымный порох, состав которого не изменился со времен Бертольда Шварца. Сырой дымный порох не мог использоваться для стрельбы, а сухой вполне оправдывал свое название, выделяя большое количество дыма при сгорании, что делало невозможным вести одновременно прицельную и быструю стрельбу.
После нескольких быстро сделанных стрелковой цепью залпов дым настолько заволакивал поле боя, что о точной стрельбе даже из нарезного оружия не могло идти и речи. С другой стороны – необходимость ждать, пока дым рассеется для очередного прицельного выстрела, понижала скорострельность, что в конечном итоге для любой армии сохраняло актуальность известного суворовского высказывания об интеллектуальной неполноценности пули. В своем письме, адресованном Дюма, Шёнбейн упомянул не только о большей мощности тринитроцеллюлозы по сравнению с дымным порохом, но и о том, что это взрывчатое вещество сгорает без остатка и без дыма.
Уже спустя год после открытия Шёнбейна английская фирма «Джон Холл и сыновья», специализировавшаяся на оружейном порохе, попыталась производить тринитроцеллюлозу на одном из своих заводов в графстве Кента, однако эта попытка закончилась плачевно – в результате взрыва партии полученного материала было разрушено два здания и погиб 21 человек. Многие исследовательские группы во многих странах в течение четырёх десятков лет после этого инцидента предпринимали неудачные попытки «приручить» тринитроцеллюлозу, но все они так или иначе закончились неудачей.
Человеком, которому удалось разработать безопасный метод производства пироксилина, стал британский химик и специалист по взрывчатым веществам Фредерик Август Абель. В 1889 Абель и его шотландский колега запатентовали бездымное метающее взрывчатое вещество, состоявшее из тринитроцеллюлозы, другого взрывчатого вещества – нитроглицерина и небольшого количества нефтяного вазелина. Этот состав получил название «кордит», а британская армия и флот в скором времени приняли его на вооружение.
Для производства кордита в качестве растворителя, необходимого для смешения ингредиентов, первоначально использовался ацетон, однако во время Первой мировой войны британская военная промышленность стала испытывать недостаток этого растворителя, что было некстати из-за низкой растворимости тринитроцеллюлозы в большинстве органических растворителей. Оказалось, что менее нитрованная форма нитроцеллюлозы, в которой на одну структурную единицу полимера приходится меньше, чем три нитрогруппы, может растворяться в смеси этилового спирта и диэтилового эфира. Такой раствор получил название «коллодий», и некоторые заводы по производству боеприпасов начали производить кордит, используя не раствор тринитроцеллюлозы в ацетоне, а коллодий, причем обе технологии существовали одновременно.
