The chemical reaction that feeds the world - Daniel D. Dulek

Химическая реакция, которая кормит мир – Даниэль Д. Дулек

Переводчик: Elena Govorkova Редактор: Olga Dmitrochenkova

What would you say

Что бы вы назвали

is the most important discovery

самым важным открытием,

made in the past few centuries?

сделанным за последние несколько столетий?

Is it the computer?

Компьютер?

The car?

Автомобиль?

Electricity?

Электричество?

Or maybe the discovery of the atom?

Или, может быть, открытие атома?

I would argue that it is this chemical reaction:

Я готов поспорить, что это химическая реакция:

a nitrogen gas molecule

молекула азота

plus three hydrogen gas molecules

плюс три молекулы водорода

gets you two ammonia gas molecules.

дают две молекулы аммиака.

This is the Haber process

Это процесс Габера,

of binding nitrogen molecules in the air

процесс связывания молекул азота из воздуха

to hydrogen molecules,

с молекулами водорода,

or turning air into fertilizer.

или, по-другому, превращение воздуха в удобрение.

Without this reaction,

Без этой реакции

farmers would be capable of producing enough food

фермеры смогли бы обеспечить достаточным количеством еды

for only 4 billion people;

лишь 4 миллиарда человек.

our current population is just over 7 billion people.

На текущий момент нас более 7 миллиардов.

So, without the Haber process,

Таким образом, без процесса Габера

over 3 billion people would be without food.

более 3 миллиардов людей осталось бы без еды.

You see, nitrogen in the form of nitrate, NO3,

Как вы видите, азот в виде нитрата, NO3,

is an essential nutrient for plants to survive.

является питательным веществом, необходимым для выживания растений.

As crops grow, they consume the nitrogen,

Различные культуры по мере своего роста потребляют азот,

removing it from the soil.

удаляя его из почвы.

The nitrogen can be replenished

Азот может пополняться

through long, natural fertilization processes

с помощью длительных процессов естественного удобрения,

like decaying animals,

таких, как разлагающиеся трупы животных.

but humans want to grow food

Но люди хотят выращивать пищу

much faster than that.

намного быстрее.

Now, here's the frustrating part:

Теперь печальный факт:

78% of the air is composed of nitrogen,

в атмосферном воздухе около 78% азота,

but crops can't just take nitrogen from the air

но растения не могут просто брать азот из воздуха,

because it contains very strong triple bonds,

поскольку он содержит очень сильные тройные связи,

which crops cannot break.

которые растения не могут разорвать.

What Haber did basically

Габер сделал следующее:

was figure out a way

он понял, как можно

to take this nitrogen in the air

взять азот из воздуха

and put it into the ground.

и поместить его в землю.

In 1908, the German chemist Fritz Haber

В 1908 году немецкий химик Фриц Габер

developed a chemical method

разработал химический способ

for utilizing the vast supply of nitrogen in the air.

использования огромных запасов азота из воздуха.

Haber found a method

which took the nitrogen in the air

Габер нашёл метод,

который позволял брать азот из воздуха

and bonded it to hydrogen

и связывать его с водородом,

to form ammonia.

формируя аммиак.

Ammonia can then be injected into the soil,

Аммиак затем может быть введён в почву,

where it is quickly converted into nitrate.

где он быстро преобразуется в нитрат.

But if Haber's process was going to be used

Но если бы этот процесс собирались применять ради того,

to feed the world,

чтобы накормить население всего мира, то Габеру

he would need to find a way

следовало найти

to create a lot of this ammonia quickly and easily.

лёгкий и быстрый способ производства огромного количества аммиака.

In order to understand

Чтобы понять,

how Haber accomplished this feat,

как Габер сумел этого достичь,

we need to know something

нам следует знать

about chemical equilibrium.

кое-что о химическом равновесии.

Chemical equilibrium can be achieved

Химическое равновесие может быть достигнуто,

when you have a reaction in a closed container.

когда реакция проходит в закрытой таре.

For example, let's say you put

Например, вы помещаете

hydrogen and nitrogen into a closed container

водород и азот в закрытый контейнер,

and allow them to react.

где они начинают взаимодействовать.

In the beginning of the experiment,

В самом начале эксперимента

we have a lot of nitrogen and hydrogen,

азота и водорода очень много,

so the formation of ammonia

и синтез аммиака

proceeds at a high speed.

протекает с большой скоростью.

But as the hydrogen and nitrogen react

Но по мере того, как водород и азот взаимодействуют

and get used up,

и расходуются,

the reaction slows down

скорость реакции замедляется,

because there is less nitrogen and hydrogen

поскольку снижается количество молекул обоих элементов

in the container.

в контейнере.

Eventually, the ammonia molecules reach a point

В конце концов, молекулы аммиака достигают точки,

where they start to decompose

в которой они начинают распадаться

back into the nitrogen and hydrogen.

обратно на азот и водород.

After a while, the two reactions,

Спустя некоторое время обе реакции –

creating and breaking down ammonia,

синтез и распад аммиака –

will reach the same speed.

достигнут одинаковой скорости.

When these speeds are equal,

Когда эти скорости равны,

we say the reaction has reached equilibrium.

мы говорим, что реакция достигла равновесия.

This might sound good, but it's not

Это может хорошо звучать, но не в том случае,

when what you want

если вы хотите

is to just create a ton of ammonia.

произвести тонну аммиака.

Haber doesn't want the ammonia

Габер хотел, чтобы аммиак

to break down at all,

вообще не распадался,

but if you simply leave the reaction

но если вы просто дадите реакции протекать

in a closed container,

в закрытой таре,

that's what will happen.

вот что произойдёт.

Here's where Henry Le Chatelier,

И здесь Анри Луи Ле Шателье,

a French chemist,

французский химик,

can help.

пришёл на помощь.

What he found was

Он обнаружил,

that if you take a system in equilibrium

что если взять равновесную систему

and you add something to it,

и добавить к ней что-то,

like, say, nitrogen,

скажем, азот,

the system will work

система будет стремиться

to get back to equilibrium again.

вернуться к состоянию равновесия снова.

Le Chatelier also found

Ле Шателье также обнаружил,

that if you increase

что если увеличить

the amount of pressure on a system,

давление на систему,

the system tries to work

то она будет пытаться

to return to the pressure it had.

вернуть давление на прежний уровень.

It's like being in a crowded room.

Это можно сравнить с переполненной комнатой.

The more molecules there are,

Чем больше молекул,

the more pressure there is.

тем выше давление.

If we look back at our equation,

Если мы ещё раз посмотрим на наше уравнение,

we see that on the left-hand side,

то увидим, что с левой стороны

there are four molecules on the left

есть четыре молекулы,

and just two on the right.

а справа их только две.

So, if we want the room to be less crowded,

Таким образом, если мы хотим, чтобы в комнате стало свободнее,

and therefore have less pressure,

и, как следствие этого, давление снизилось,

the system will start

система должна начать

combining nitrogen and hydrogen

соединять азот и водород,

to make the more compact ammonia molecules.

синтезируя более компактные молекулы аммиака.

Haber realized that in order to make

Габер понял, что для того, чтобы производить

large amounts of ammonia,

аммиак в большом количестве,

he would have to create a machine

ему нужно было создать устройство,

that would continually add nitrogen and hydrogen

которое бы непрерывно добавляло азот и водород,

while also increasing the pressure

одновременно с этим увеличивая давление

on the equilibrium system,

на равновесную систему.

which is exactly what he did.

Именно это он и сделал.

Today, ammonia is one of the most produced

На сегодняшний день аммиак – важнейший продукт

chemical compounds in the world.

химической промышленности по всему миру.

Roughly 131 million metric tons are produced a year,

Примерно 131 миллион тонн производится каждый год,

which is about 290 billion pounds of ammonia.

что примерно равно 119 миллиардам кг аммиака.

That's about the mass

По массе это равносильно

of 30 million African elephants,

30 миллионам африканских слонов,

weighing roughly 10,000 pounds each.

каждый из которых весит примерно 4 550 кг.

80% of this ammonia is used in fertilizer production,

80% этого аммиака применяется для производства удобрений,

while the rest is used

в то время как остальное используется

in industrial and household cleaners

для производства промышленных

and to produce other nitrogen compounds,

и бытовых моющих средств и других соединений азота,

such as nitric acid.

таких, как азотная кислота.

Recent studies have found

Последние исследования показали,

that half of the nitrogen from these fertilizers

что половина азота из этих удобрений

is not assimilated by plants.

не усваивается растениями.

Consequently, the nitrogen is found

Вследствие этого азот находится

as a volatile chemical compound

в виде летучего химического соединения

in the Earth's water supplies and atmosphere,

в водных ресурсах и атмосфере Земли,

severely damaging our environment.

нанося серьёзный ущерб нашей окружающей среде.

Of course, Haber did not foresee this problem

Конечно, Габер не предвидел данной проблемы,

when he introduced his invention.

когда представлял своё открытие.

Following his pioneering vision,

Следуя за его новаторской концепцией,

scientists today are looking

современные учёные работают

for a new Haber process of the 21st century,

над созданием нового процесса Габера 21-го века,

which will reach the same level of aid

который будет приносить такую же пользу

without the dangerous consequences.

без опасных последствий.