Чтение онлайн

Специальными опытами с помощью инфракрасного спектрометра Шилову удалось установить строение первичных комплексов переходных металлов с азотом в неводных растворах. Для случая ванадия это, по-видимому:

Иначе говоря, в присутствии двух ионов ванадия ни первая, ни вторая связи в азоте не рвутся, но ослабляются, зато устанавливается достаточно сильное взаимодействие между каждым атомом ванадия и атомом азота. После этого наступает стадия, по-видимому, одновременного протекания реакций, которые суммарно могут быть записаны в виде:

На опыте оказалось, что на каждую образовавшуюся молекулу гидразина расходуется четыре молекулы V(ОН)2, переходящие в V(OH)3.

Механизм реакции получения гидразина еще не вполне выяснен. Скорее всего ионы магния и ионы ванадия образуют сложный каталитический комплекс, содержащий молекулы воды в качестве лигандов этого сложного комплексного соединения. Мы уже говорили, что молекулярный азот способен вытеснять воду из комплексных соединений металлов переменной валентности. Очевидно, и в данном случае на место одной или двух молекул воды встает молекула азота, внедряясь таким образом в сферу комплексного соединения ванадия. Как всегда в такого рода комплексах, все составляющие их молекулы лежат очень тесно друг к другу. При этом все валентные электроны различных молекул, входящих в сферу комплексного поля, достаточно обобщены. Поэтому достаточно небольшого «теплового» толчка (измеряемого в данном случае калориями на моль), чтобы возникли одновременно цепи реакции, которая и приведет к указанному выше процессу образования гидразина.

Такой процесс, по-видимому, будет имитировать процесс в живом организме (азотобактеры). Но насколько же он будет проще! Уже на сегодняшнем этапе видно, что такую невероятно сложную реакцию можно проводить просто и легко. Здесь уже не требуется сложных ферментов, они заменены активной группой ферментов — ионами ванадия. Это подтверждает высказанный ранее тезис, что сложность биологических процессов связана с многофункциональными задачами ферментов в живом взаимосвязанном организме. Когда же мы переходим к реакции вне организма, от катализатора требуется лишь одна функция — проводить реакцию, а для этого, оказывается, достаточно иметь лишь активные центры фермента.

Да ведь, в сущности, иначе вообще не могла бы возникнуть жизнь на Земле. Действительно, живое могло возникнуть только из неживого. Значит, еще в доорганической природе в примитивной форме, но со значительной интенсивностью должны были протекать те реакции, которые бы обеспечивали необходимые условия для зарождения жизни, то есть реакции получения свободного кислорода в атмосфере различных органических веществ и аммиака. Из последних двух веществ могла возникнуть вся гамма азотсодержащих соединений вплоть до белков. Таким образом, реакции первичного фотосинтеза вне организма, приводящие к образованию кислорода и органических соединений из углекислого газа и воды, и реакции образования аммиака из азота и воды должны были протекать еще до возникновения жизни на Земле. Во время зарождения жизни температура на поверхности суши и океанов не могла быть слишком высокой. Следовательно, рассматриваемые реакции могли протекать лишь каталитическим путем. Именно эти катализаторы в дальнейшем уже путем биологической эволюции превратились в ферментные системы, сохранив, однако, предшествующие им катализаторы в виде активных групп ферментов. Такими первичными катализаторами в доорганическом периоде были, вероятно, в основном ионы металлов переменной валентности. Представляется, что эти соображения в значительной мере подтверждают высказанный здесь тезис.

Сейчас это проверяется на разных других удивительных реакциях, осуществляющихся в организмах.

Но попробуем разобраться, есть ли в реакции фиксации азота промышленная перспектива.

Сам по себе гидразин представляет собой ценное топливо. Имея гидразин, можно получать всю гамму азотсодержащих органических соединений. Следует отметить также, что гидразин очень легко превращается в аммиак. Однако такому процессу получения аммиака очень трудно конкурировать с современным, прекрасно разработанным обычным методом производства аммиачных солей из азота и водорода. Реакция протекает при высоких температуре и давлении, под действием гетерогенных катализаторов. Но, с другой стороны, надо иметь в виду, что этот процесс, предложенный и осуществленный в 1914 году Габером и Бошем, потому-то и возник, что не было катализаторов, способных обеспечить протекание реакции фиксации азота воздуха при достаточно низких температурах. Чем выше температура, тем меньше термодинамический выход аммиака. А при низких температурах термодинамический выход практически составляет 100 процентов. Чтобы при высоких температурах (когда катализатор может работать) повысить выход, потребовалось применение высоких давлений. Итак, можно ли на основе открытых теперь катализаторов, работающих при комнатной температуре, построить конкурентоспособный процесс получения аммиака? Пока это невозможно, поскольку гидроокись ванадия в этом процессе, в сущности, не является катализатором. Действительно, переходя из двухвалентного в трехвалентное состояние и тем самым отдав свою избыточную химическую энергию на образование гидразина, ионы ванадия перестают работать. Необходимо поэтому извлечь гидразин из раствора, а затем за счет энергии электрического тока перевести обратно трехвалентные ионы ванадия в двухвалентные. Помимо сложностей этого процесса, здесь требуется значительный расход электроэнергии. Решение проблемы сводится к тому, чтобы производить процесс перезарядки ионов без затраты электроэнергии, в ходе самого процесса получения гидразина. Нужно пытаться провести процесс по аналогии с растениями и животными организмами — либо за счет солнечной энергии, либо за счет окисления кислородом воздуха каких-либо дешевых органических веществ. Соответствующие работы только начаты. Если это приведет к нужным результатам, то новый процесс может оказаться наиболее выгодным. Мало того, если это удастся сделать с помощью солнечной энергии, то проблема искусственного фотосинтеза также будет решена.

Действительно, — световая стадия фотосинтеза в конечном счете определяется реакцией Н2O + CO2 -> О2 + СН2O. Это типично окислительно-восстановительная реакция, так же как и реакция фиксации азота, и она требует приблизительно такой же затраты энергии. Принципиально реакция могла бы идти при участии подобных же комплексных соединений.

Итак, допустим, что на этом пути удастся разрешить проблему фотосинтеза вне организма и получить хороший к.п.д. Допустим далее, что мы сумеем поднять к.п.д. использования солнечной энергии до 20 процентов, то есть сделать его примерно вдвое большим, чем максимальный «биологический» к.п.д. фотосинтеза в растениях. (Конечно, это лишь предположение, не имеющее пока экспериментальных подтверждений.) Большие пластмассовые кассеты, содержащие водный раствор исходных веществ, будут располагаться на огромных пространствах энергетических полей. Под действием солнечной энергии в кассетах будут образовываться богатые химической энергией продукты реакции. Эти растворы будут медленно циркулировать, попадая на соответствующие подстанции, где будут извлекаться богатые энергией конечные продукты и добавляться исходные. Таким путем будет осуществляться непрерывный сбор энергетического урожая.

Это, конечно, лишь схема, вероятно, далекая от реального осуществления. Для размещения энергетических полей следует использовать пустынные и полупустынные местности с большой солнечной радиацией, непригодные для сельского хозяйства. Общая площадь этих энергетических полей, как мы себе представляем, должна составлять 109 гектаров, то есть примерно вдвое меньше, чем занято под сельскохозяйственными полями и лугами сейчас. Для примера можно взять карту с изображением контуров Европы, Африки, Аравийского полуострова и небольшой части Восточной Азии, где проживает примерно четвертая часть человечества. В этом районе для энергетических полей потребуется также четвертая часть от 109 гектаров, то есть 2,5 · 108 гектаров. Количество пустынь и полупустынь и этом районе значительно больше, чем указанная площадь.

Население Северной и Южной Америки составляет около 1/4 от общего числа людей. Здесь также имеются пустыни и полупустыни. Сложнее будет обстоять дело в основной части Азии и архипелагах, расположенных между Азией и Австралией, где живет более 1/2 всего человечества и где есть только пустыня Гоби и пустынная местность северной и центральной части Австралии. Итак, как показано выше, площадь всех энергетических полей равна 109 гектаров, энергетическая урожайность с гектара — 3,4 · 109 ккал в год. Общая энергетическая урожайность в мире составит 3,4 · 109 ккал/га x 109 = 3,4 · 1018 ккал в год в виде богатого химической энергией продукта. Как мы знаем, при сжигании всех добываемых в год горючих ископаемых получается 5,6 · 1016 ккал. Таким образом, использование солнечной радиации позволило бы увеличить энергетические ресурсы человечества в 60 раз.

Использование солнечной энергии, как, впрочем, и термоядерной, требует прежде всего активного научного исследования. Между тем над осуществлением управляемой термоядерной реакции D + D трудится огромное число ученых у нас и за рубежом, а над научными основами проблем использования солнечной энергии целеустремленных работ практически не ведется.

Несколько пугает огромная площадь энергетических полей, необходимых для собирания рассеянной солнечной энергии. Однако использование солнечной энергии для целей синтеза пищи, то есть в сельском хозяйстве, требует также огромных площадей, больших капиталовложений и расхода труда и средств на их эксплуатацию, причем тем больших, чем выше мы хотим получить урожай.

Использование солнечной энергии не вызовет перегрева Земли, а значит, каких-либо изменений климата, не несет никаких опасностей отравления земли и воздуха вредными веществами. Оно является вечным источником энергии.

Итак, мы рассмотрели возможности использования солнечной энергии путем фотосинтеза в специально подобранных химических системах вне организма. Но нельзя окончательно исключить и чисто тепловой путь использования солнечной радиации. Лет 30–40 назад многие ученые и инженеры увлекались проектированием и даже созданием такого рода солнечных машин, в общем неплохо работающих.