Вода так же, как и дерево, сопровождала человека с незапамятных времен в его хозяйственной жизни. В своем экономическом и техническом развитии человеку всегда приходилось пользоваться водой. Развитие культуры, образование государств, основание городов — возможны были лишь там, где в достаточном количестве имелась вода. Если мы проследим историю древних культур, то увидим, что ни одна из них немыслима без водного хозяйства; более того, древние культуры развивались почти исключительно на основе водного хозяйства, примером чего могут служить Египет и страна двух рек — Месопотамия. Китай, наиболее густо населенная страна земного шара, которая еще не получает, подобно Европе, всю свою энергию от угля, не мог бы существовать без своей широко разветвленной системы водного хозяйства.
Вся наша жизнь и предметы, которые нас окружают, тесно связаны с водой. Этот необходимый основной элемент нашей жизни — вода — состоит из 11 % водорода и 89 % кислорода. Вода повсюду находится в природе в жидком, газообразном и даже твердом состоянии. На одном лишь экваторе ежегодно испаряется 700 триллионов куб. м воды, что соответствует океану в 66 глубины и площадью в 9,7 млн кв. км. Эти огромные массы воды снова изливаются на землю из туч в виде дождей, снабжающих реки, источники и моря. Энергия, сообщаемая воде солнцем, проявляется в силе ее течения, которая также зависит еще от двух причин: во-первых, от ската и, во-вторых, от количества воды, протекающего по скату. Лишь в век пара научились систематически пользоваться этими силами с помощью водяных колес, турбин и т. д. Крупные силовые станции в Баварии, Бадене, Швейцарии и Швеции служат доказательством возможности использования водяной силы, которая в настоящее время является большим подспорьем в дополнение к все более эксплуатируемой энергии угля. Здесь мы будем говорить не о получении энергии от падения воды, которая, как известно, уже тысячи лет знакома человеку и которая лишь за последнее десятилетие получает все более широкое развитие в качестве дополнительного источника энергии наравне с углем и нефтью, но о химическом составе воды и возможностях его использования в энергетических целях.
До конца XVIII века воду считали за простое вещество, так как не знали ее составных частей. Летом 1781 г. англичанин Кавендиш установил опытным путем, что при сжигании водорода и кислорода получается вода и только вода.
Лавуазье, знаменитый реформатор химии, дополнил этот опыт еще в том направлении, что из полученной таким способом воды снова выделил в виде газа водород и удержал кислород в соединении с железом.
Водород в современном транспорте за последние годы играет значительную роль. Без него воздушное судоходство не могло бы развиться до современного уровня. Гелий, которым в настоящее время наполняют дирижабли, в то время еще не был известен. Лишь в последние годы ученые выяснили, что вместо сравнительно легко взрывающегося водорода более удобен для применения другой менее опасный газ, гелий, который в последнее время удается искусственным путем получать из водорода. В самое последнее время водород получил применение еще в одной весьма важной области, причем приобретает здесь неожиданно крупное значение, — в главе о «Переработке угля» мы указали на значение водорода в весьма важном для экономической жизни Европы методе гидрирования угля.
Эти две важные области хозяйства показывают, что наступило время, когда мы должны пользоваться водой не только в качестве источника энергии в виде водопадов и рек, но и путем прямого химического использования ее составных частей. Известный германский исследователь в области угля проф. Фишер сделал на мировом энергетическом конгрессе в Лондоне в 1924 г. интересное сообщение, что в химических процессах, в которых теоретически исходными веществами являются окись углерода и водород, можно исходить и из углекислоты и что таким образом в принципе возможно производить моторное топливо, в котором ощущается такая нужда, из составных частей воздуха и воды, при условии наличия соответствующих источников энергии (водяных сил). Углекислоту можно было бы получать из воздуха, а водород путем электролиза из воды. Если бы удалось получать энергию непосредственно из воды и из воздуха, подобно тому как из воздуха добывается азот, то это было бы достижением, значение которого в настоящее время не поддается еще даже более или менее приблизительному учету.
Важное значение, которое имеет водород в современной экономической жизни, заставляет нас уделить ему более серьезное внимание.
Получение газа из воды известно уже свыше 100 лет. В начале XIX века в Лондоне умер упомянутый выше Кавендиш — ученый, занимавшийся главным образом физикой и химией. Он ознакомил химическую науку с водородом, который был им получен при опытах, во время которых он изучал действие слабого раствора кислоты на железо, цинк и олово. В последнее время делались различные опыты добывания водорода. Прежние опыты Кавендиша в настоящее время уже утратили свое значение. Кавендиш предполагал, что водород находится в металлах, тогда как последующие исследователи считали, что он является составным элементом кислот. Водород представляет собой прозрачный, лишенный запаха и вкуса газ, который горит и при соединении с кислородом дает воду.
Лишь в 1883 г. Чарльзом были сделаны первые попытки наполнить водородом воздушные шары. Майерт и Рихтер пользовались для получения водорода ретортой, в которой докрасна накалялась смесь гидрата окисей кальция и цинка.
Большое значение имеет электролитический метод добывания водорода. Уже в 1789 г. два голландца установили, что путем электрического разряда вода разлагается на водород и кислород. Если через подкисленную воду или раствор едкого натра пропустить электрический ток, то на отрицательном полюсе выделяется водород, на положительном — кислород.
Другие методы добывания кислорода, как, например, с удалением, посредством сильного охлаждения или поглощающих средств, побочных газов, углекислоты и окиси углерода, или добывание водорода с помощью алюминия и др., отличаются чрезвычайной сложностью и слишком дороги для широкого технического применения. Лишь после того как химия угля привлекла к себе усиленное внимание и для получения жидкого угля потребовался водород, задумались и над упрощением и удешевлением способов добывания водорода. Сам уголь в процессе перехода в жидкое состояние становится источником водорода, в непрерывном круговороте с которым и происходит процесс разжижения угля. Значение водорода в будущем вполне сознается и авторитетными представителями химической науки. В 1926 г. О-во германских химиков на юбилейном заседании заслушало доклад проф. Бинца о взаимоотношениях между химией, техникой и мировой историей. В числе огромных технических проблем, стоящих перед человечеством, Бинц выдвинул вопрос о перенесении тропического тепла в страны умеренного пояса. Вполне реальна мысль о постройке на Ниле солнечной силовой станции, которая позволит разлагать нильскую воду и добывать водород, который затем в кварцевых бутылях на деревянных судах будет перевозиться в Европу, где он будет отоплять и освещать дома.
Необходимо сказать еще несколько слов о вышеназванном гелии, заменяющем водород при наполнении камер дирижаблей; как известно, он в своей естественной форме получается в Америке из натурального газа нефтяных источников. Гелий, подобно аргону, неону, криптону, ксенону, гафнию и т. д., принадлежит к классу благородных газов. Честь открытия благородных газов принадлежит Рэлею, который в 1894 г. в сотрудничестве с упомянутым уже Рамзаем в ряде опытов пришел к открытию аргона, гелия и остальных членов этой группы. Уже давно в спектре солнечных протуберанцев обнаружили присутствие гелия. Рамзай и Клеве (1895 г.) выяснили затем, что выделявшийся клевеитом газ, который первоначально принимали за азот, в действительности являлся гелием. Все минералы группы урана также содержат гелий. Исследования атмосферы привели к выводу, что в нижних слоях воздуха гелий имеется лишь в количестве 0,000056 %, в то время как на высоте свыше 100 км атмосфера вероятно состоит из 0,4 % гелия, а в остальной части из водорода.
При искусственном получении гелия, ставшем возможным лишь в самое последнее время, значительную роль опять-таки играет применение воздуха и воды. Гелий поддается сжижению, а именно путем охлаждения жидким кислородом, при давлении в 100 атм. Хотя гелий, в противоположность кислороду, не горит, он в два раза тяжелее последнего. Быть может, с течением времени химии удастся еще сделать водород несгораемым, путем, например, соответствующего добавления гелия или других благородных газов.
В 1924 г. печать обошло сообщение о том, что известный проф. Сорбонны Шарль Анри напал на совершенно новый способ получения энергии из воды и не путем изобретения новой водяной турбины, но путем химического разложения воды, составные части которой якобы можно применять вместо бензина в моторах. Это сенсационное сообщение открывает возможности, значение которых для всей энергетической проблемы на первый взгляд не поддается учету. Проф. Анри говорит, что повсюду в природе имеются вещества, которые чрезвычайно ускоряют течение известных химических процессов; при этом они сами ни в малейшей степени не затрагиваются этими процессами. В науке подобные любопытные вещества носят название «катализаторов». Что такое катализаторы? Объясним это более подробно.
Взаимодействие одного вещества с другим называется в химии химической реакцией. Без этого процесса, каких существует тысячи, мы не имели бы химии в современном ее развитии, ибо тысячи продуктов, как краски, мыла, кислоты и т. д., были бы человечеству в настоящее время совершенно неизвестны. Действие одного вещества на другое может быть незначительным или большим, медленным или бурным. Оно может быть ослаблено, если-между веществами находится хотя бы тончайший изолирующий слой; оно становится более интенсивным, если соответствующие вещества растворены в воде; реакции вообще не происходит, если в соприкосновение друг с другом вступают химически не реагирующие друг с другом вещества. Мы можем изготовлять некоторые газовые смеси и спокойно сохранять их долгое время, хотя при других условиях те же газы представляют огромную опасность; можно хранить сильно взрывчатые вещества, которые взрываются при определенных условиях и при прикосновении к ним. Различное расположение атомов в веществах создает в одних неустойчивые, а в других устойчивые комплексы (группы) молекул. Неустойчивые группы молекул очень легко распадаются при небольшом даже воздействии на них.
Одной из элементарнейших истин является положение, что теплота помогает осуществлению реакций или ускоряет их, тогда как холод задерживает реакции. Влияние тепла на реакцию образования воды и значение тепла при превращении воды в пар было известно уже Джемсу Ватту при сооружении им первой паровой машины. Давление, сильное встряхивание или электрические разряды также вызывают перемещение молекулярных комплексов. При сильном давлении возможно самовозгорание угольных залежей, сжижение воздуха; электрическая искра применяется в шахтах для воспламенения взрывчатых веществ и т. д. Все эти явления объединяют под понятием катализа в широком смысле этого слова.
Химии однако известны не только возможности при названных условиях вызвать реакцию, но и вещества, которые преобразовывают при более низкой или средней температуре другие вещества. Эти вещества, которые сами не изменяются, но одним соприкосновением с другим веществом производят свое действие, называются катализаторами. Достаточно совершенно незначительного количества катализатора, чтобы в кратчайший срок осуществить подобный загадочный процесс. Проф. Анри стоит на верном пути, пророча воде и ее химическому использованию широкие перспективы в будущем, ибо сама вода в химической науке давно уже известна в качестве необходимого катализатора, причисляемого к катализаторам общего действия, тогда как катализаторами специального действия наука стала пользоваться лишь в последние годы — с прогрессом техники. Как известно, существует целый ряд важных фабричных процессов, которые не осуществимы без применения катализаторов, так как без них они протекали бы слишком медленно. Известный способ Габер-Боша добывания аммиака из азота и водорода основан, например, на участии в соответствующем процессе одного из таких катализаторов — обычно урана. Кроме этого примера, можно назвать сколько угодно других.
Аналогичные процессы имеют место в сотнях других случаях, когда к известным веществам прибавляются кислоты; железо, медь, алюминий, ртутные соли, перекись марганца сплошь и рядом употребляются в качестве ускорителей реакций; медные соединения применяются при производстве анилиновой черной краски; окись кобальта, пятиокись ванадия, вольфрамовые кислоты и др. служат сильными катализаторами в самых различных химических процессах.
Проф. Анри, опираясь на теорию катализаторов, говорит, что в природе должны быть вещества, которые могут в сильной степени ускорять процесс распада воды на ее составные части, водород и кислород, — процесс, при обыкновенной температуре протекающий бесконечно медленно; получающиеся при указанных ускоренных реакциях газы смогут применяться в двигателях внутреннего сгорания для автомобилей и т. д.
Несмотря на возражения как теоретического, так и практического характера, выдвигаемые против плана Анри, имеется основание предполагать, что идея Анри в недалеком будущем перейдет из области проекта в действительность. Доказательством этого служит всем известный факт, что легко взрывающийся гремучий газ представляет собою не что иное, как смесь водорода и кислорода.
В известном смысле водяной мотор, проектируемый Анри, уже осуществлен, если и не для автомобилей, то во всяком случае для дирижаблей, где имеется возможность брать с собою в больших количествах газ, получаемый с помощью воды. Как известно, конструкторы дирижаблей уже долгие годы мечтают о замене бензинового мотора какой-либо другой машиной или о замене бензина другим топливом. Несмотря на то, что бензин является наиболее концентрированным топливом, а бензиновый мотор самым легким, все-таки воспламеняемость бензиновых паров, образующихся при сгорании в моторе, несет с собою чрезвычайную опасность для дирижабля. Если вспомнить, что цеппелин «Америка» при перелете через океан взял с собою 30 000 кг бензина, то ясно становится, какой источник опасности представляет собою подобная масса легко воспламеняющегося вещества. Лишь в 1926 г. на верфях в Фридрихсгафене, где строятся цеппелины, удалось бензиновый мотор заменить в новых дирижаблях совершенно новым двигателем внутреннего сгорания, питаемым газовой смесью.
Д-р Эккенер, пилот цеппелина «Америка», пишет о новом горючем следующее: «Многими делались попытки заменить бензиновый мотор мотором, работающим на сырой нефти, но с отрицательным результатом, так как вес мотора, работающего на сырой нефти, слишком велик. Конструкторы дирижаблей особенно в Англии, пытались разрешить вопрос в том смысле, что начали в моторах пользоваться газом, предназначенным для поддерживания дирижабля в воздухе (водород). Этим путем надеются, по крайней мере, значительно сократить необходимый запас бензина, заменив его отчасти несущим газом, часть которого освобождается во время плавания. Воздухоплавательная компания „Цеппелин“, которая уже довольно давно занимается этой проблемой, нашла, наконец, подходящее горючее в виде тяжелых, так называемых углеводородных газов, удельный вес которых в общем равняется единице и которые при испытании в моторах дали уже чрезвычайно благоприятный результат. Применение этих углеводородных газов связано с целым рядом весьма важных преимуществ: в виду того, что их удельный вес, как сказано, приблизительно равен удельному весу атмосферного воздуха, их применение в моторах не уменьшает и не увеличивает веса дирижабля, как это имеет место при пользовании бензином. Дирижабль сохраняет всегда статическое равновесие, и вследствие этого достигается увеличение средней быстроты его движения. Далее, в соответствии с требованием большей безопасности, устраняется опасный и занимающий много места бензин.
Замена бензина моторным газом имеет и еще одно важное преимущество: калорийность кубического метра тяжелых углеводородов приблизительно на 30 % выше калорийности килограмма бензина. Если учесть даже то, что кубический метр водорода соответствует 1,15 кг бензина, то производительность кубического метра водорода все же на 20–25 % будет выше производительности бензина».
Подводя итоги достижениям в области превращения воды в новый источник энергии, можно сказать, что вода в будущем обещает открыть перед техникой еще неслыханные возможности.