соли жирной кислоты в соленой воде растворяются хуже, чем в пресной, так что, если раствор посолить, они выпадут в осадок в виде твердых частиц, а в жидкой фракции останется глицерин — важнейшее сырье для производства пластика (об этом мы поговорим в главе 11).
Реакция гидролиза, трансформирующая животные жиры в мыло, также применяется для производства клея.
Клей получают, проваривая кожу, жилы, рога и копыта: все, что содержит прочную соединительную ткань, состоящую из коллагена, который разлагается до желатина. Желатин растворяется в воде, так что получается вязкая клейкая масса, которая, высохнув, становится твердой и прочной. Необходимое для этого гидролитическое разложение много быстрее происходит в сильнощелочной среде — еще одно применение щелока — или в кислой (этого момента мы коснемся позже).
Пиролиз древесины
Дерево может дать много больше, чем уголь для топлива и вытянутые из золы щелочи. Когда-то оно служило главным источником органических соединений — химического сырья и прекурсоров для самых разных процессов и производств, — и лишь в конце XIX в. его потеснила каменноугольная смола, а чуть позже — процесс получения нефтепродуктов из сырой нефти. Так что в постапокалиптическом мире, где у вас может не оказаться доступных залежей угля или постоянного источника сырой нефти, старинные «древесные» технологии помогут возродить химическую промышленность.
Главный принцип выжигания угля: удалить из древесины летучие вещества, чтобы остался жарко горящий почти чистый углерод. Но отходы этого выжигания на самом деле весьма полезные вещества. И небольшое усовершенствование процесса позволит захватить улетучивающиеся пары. Во второй половине XVII в. химики заметили, что сжигание дерева в закрытом сосуде высвобождает горючий газ и пары, которые можно конденсировать в водянистую жидкость. Эти вещества стали называть пиродревесными или пирогенетическими, и они представляют собой сложную смесь многих компонентов. В идеале возрождающееся сообщество могло бы сразу освоить технологию выжигания дерева в герметичных металлических контейнерах с отводными трубами для откачки паров и конденсации путем охлаждения в резервуаре с холодной водой. Газы, выделившиеся при горении, не конденсируются, и их можно использовать для топки печей под контейнерами. В главе 9 мы увидим, что пирогенетическими газами можно даже заправлять машины.
Собранный конденсат легко разделяется на водянистую жидкость и плотный смолистый осадок: и то и другое — сложные смеси, которые можно разделить ранее описанным способом дистилляции. Жидкая фракция, изначально называемая пирогенетической (пироуксусной) кислотой, состоит в основном из уксусной кислоты, ацетона и метанола.
Уксусная кислота применяется для консервирования пищевых продуктов: как мы отмечали, пищевой уксус — это, по сути дела, ее слабый раствор. Реагируя с соединениями щелочных металлов, она производит широкий круг полезных солей. Например, соединяясь с едким натром или едким кали, дает ацетат натрия, который используется как закрепитель при окрашивании тканей. Ацетат меди применяется как фунгицид и с античных времен служит сине-зеленым пигментом для изготовления красок.
Ацетон — хороший растворитель и применяется как основа для красок (это им так резко пахнут лаки для ногтей) и как обезжиривающий состав. А еще он нужен для производства пластика и кордита, взрывчатого вещества, которым в Первую мировую войну снаряжали патроны и снаряды. В какой-то момент Британия даже опасалась проиграть войну из-за дефицита ацетона. Огромная потребность в ацетоне для кордита намного превосходила то количество, которое можно было получить путем дистилляции древесины, — даже с учетом ацетона, ввозимого из богатых лесом стран, таких как США. Увеличить производство позволило изобретение новой технологии секреции ацетона определенным видом бактерий в процессе брожения и море каштанов, собранных школьниками для такой закваски.
В больших количествах сухой дистилляцией древесины получают метанол, изначально называвшийся древесным спиртом: каждая тонна дерева дает около 10 л. Молекула метанола — простейшая из всех спиртов: она содержит лишь один атом углерода, в то время как этанол, например, то есть питьевой спирт, строится на основе блока из двух. Метанол используется как топливо и растворитель, служит антифризом и играет важнейшую роль в производстве биотоплива, к чему мы перейдем в главе 9.
Сырой деготь, выпаренный из обожженного дерева, тоже можно разложить дистилляцией на основные составляющие: легкий текучий скипидар (плавает на поверхности воды); плотный густой креозот (тонет в воде) и темный вязкий деготь. Скипидар — широко востребованный растворитель, исторически употребляемый для красителей, к нему мы вернемся в главе 10. Креозот — удивительно сильный консервант, им покрывают или пропитывают древесину, чтобы сохранить ее от гниения и воздействия стихий. Также он обладает антисептическими свойствами, замедляет размножение микробов и консервирует мясо — именно он придает характерный вкус копченостям. Деготь — самый клейкий из трех экстрактов, плотная микстура из длинноцепных молекул, его воспламеняемость делает его идеальной пропиткой для факелов. Смолистый деготь отталкивает воду и годится для замазывания худых ведер и бочек; не одно тысячелетие им герметизируют стыки между досками в корабельных и лодочных корпусах.
Эти важные химикалии в каких-то количествах дает древесина любых деревьев, но дегтем особенно богаты смолистые плотные породы, например хвойные — сосна, ель и пихта. Береста тоже дает много дегтя, и с каменного века ею закрепляли оперение на стрелах. Но вообще-то, если вам нужен только деготь, можно собирать его, когда он истекает из смолистых дров, обжигаемых в горне, и даже просто в жестяном ящике, поставленном на огонь.
Дистилляция — широко применимый способ разделения жидких смесей, основанный на разнице температур кипения разных фракций, и возрождающемуся человечеству хорошо бы освоить его как можно скорее. Дистилляция разделяет перемешанные продукты пережигания древесины, вытягивает, как мы уже видели, спирт из бродящего сусла, а еще раскладывает сырую нефть на фракции: от плотного вязкого битума до легких и летучих компонентов типа бензина. A по достижении определенного уровня индустриализации дистиллировать можно даже самый воздух. Его охлаждают примерно до –200 °C, повторяя процесс расширения и охлаждения, и запирают в резервуаре с вакуумной изоляцией, гигантском термосе вроде тех, в которых мы берем чай на пикник. После этого жидкий воздух понемногу нагревают и каждый газ, испаряющийся из него, собирают — чистый кислород, например, применяется в медицинских целях.
Кислоты
До сих пор мы говорили в основном о щелочах, поскольку их сильные разновидности относительно легко получить. Кислоты, химическая противоположность щелочей, не меньше распространены в природе, но сильные кислоты встретить не так просто, как, например, щелок, и их широкое хозяйственное применение началось значительно позже. Мы уже видели, как растительные продукты сбраживаются для дистилляции спирта и как спирт, в свою очередь, можно окислить, выставив его на воздух, чтобы получить уксус. Уксусная кислота первой из всех кислот оказалась в распоряжении человека и бóльшую часть человеческой истории оставалась у него единственной. Цивилизация располагала широким выбором щелочей — поташ, кальцинированная сода, гашеная известь, аммиак, — но тысячелетия прогресс в химии сдерживался тем, что из кислот была доступна лишь одна, и та слабая.
Следующей кислотой, которую человек научился использовать, стала серная. Изначально ее выгоняли, прокаливая редкий стеклоподобный минерал купорос, а позже стали массово производить, сжигая в заполненных паром свинцовых контейнерах чистую желтую серу с селитрой. Сегодня мы получаем серную кислоту как побочный продукт очистки нефти и природного газа от сернистых примесей. Так что постапокалиптическое человечество, вероятно, застрянет посредине: не сможет добывать эту нужнейшую кислоту традиционным способом, потому что все вулканические месторождения элементной серы давно выработаны, и не сможет добывать ее более современными методами за отсутствием необходимого катализатора.
Придется попробовать химический способ, никогда в истории не использовавшийся в промышленных масштабах. Сернистый газ можно выжечь из распространенного минерала колчедана (железный колчедан известен как «самоварное золото», также колчеданы — это руды, из которых добываются свинец и олово) и соединить с газообразным хлором, добытым посредством электролиза соленой воды, используя катализатор — активированный уголь (пористую разновидность древесного угля). В результате получится жидкость, так называемый хлористый сульфурил, которую можно концентрировать путем дистилляции. В воде это соединение распадается на серную кислоту и хлористый водород, который тоже следует собрать и вновь растворить в воде, чтобы получить соляную кислоту. Нам повезло, что существует к тому же простой способ проверить, относится ли порода к колчеданам (сульфидам металлов): нужно капнуть немного разведенной кислоты, и, если порода зашипит и появится запах тухлых яиц, это то, что надо (вот только сероводород ядовит, поэтому не вдыхайте слишком много!).
В наши дни серной кислоты производится больше, чем любого другого химического соединения, — это хлеб современной химической индустрии, который очень поможет ускорить восстановление после планетарной катастрофы. Серная кислота важна, потому что она лучше всех других решает несколько важных задач. Это не только сильная кислота, это сильный дегитратант и окислитель. Большая часть производимой сегодня серной кислоты употребляется в производстве искусственных удобрений: ею растворяют фосфатные породы (или кости животных), чтобы извлечь важнейшее для растений питательное вещество — фосфор. Но список применений серной кислоты бесконечен: приготовление железистых чернил, отбеливание хлопка и льна, производство стирального порошка, очистка и подготовка поверхности чугуна и стали для дальнейшей обработки, изготовление смазок и синтетических волокон, использование в качестве электролита.