Химия навсегда - Ларс Орстрём

Согласно общему правилу, металлы нестабильны в своей нейтральной форме (с нулевой степенью окисления), с известными исключениями в виде благородных металлов – золота и серебра – и меди, которые, если вам повезет, можно обнаружить в виде самородков. Эти металлы очень крепко держатся за свои электроны, чем кардинально отличаются от натрия и кальция, которые только и ждут чего-то подходящего, чтобы сбросить туда электроны со своей последней заполненной орбитали [33 - Мы использовали это слово в предисловии; возможно, в школе вы слышали другой термин – электронная оболочка. ].

При определенных обстоятельствах уран может быть так же хорош, как золото, но он ни в коем случае не является благородным металлом. В природе он обычно встречается в форме со степенью окисления +4, U

, с четырьмя оторванными электронами, обычно соединяясь с кислородом в UO

(или в минерал уранинит с примерной формулой U

O

, в котором сосуществуют ионы U

и U

). Чтобы вернуть электроны на место и получить металлический уран, нам потребуется нечто, что очень хочет отдать свои электроны, – то, что мы называем сильным восстановителем.

Большинство химических реагентов, которые используются при производстве урана из урановой руды, ничем не примечательны и используются также и для других целей, но из-за того, что уран настолько неблагородный, ему требуется очень сильный восстановитель, чтобы стать металлом. Немцы использовали металлический кальций, производившийся в Биттерфельде – маленьком городке под Лейпцигом в Восточной Германии и неподалеку от старой урановой шахты в Йоахимстале (Яхимове) в Чехии. Поскольку Германия была разделена оккупационными державами, а появление Германской Демократической Республики с ее строгим пограничным контролем было еще впереди, получение разведданных с занятой русскими территории было по крайней мере осуществимо, и МИ6 и ЦРУ пристально наблюдали за заводом в Биттерфельде (и друг за другом).

В 1947 году были собраны доказательства того, что завод в Биттерфельде ежемесячно производит 30 тонн дистиллированного металлического кальция высокой чистоты. Дистилляция ассоциируется у нас с отделением этанола от воды и производством спирта на винокурнях. Этот метод основан на разных температурах кипения двух веществ: этанол закипает при 78 °C, а вода – при 100 °C; однако на самом деле дистилляция – это очень распространенный метод очистки в химической промышленности, применимый к самым разным веществам. Если охладить воздух до состояния жидкости (для этого он должен быть очень-очень холодным), его можно подвергнуть дистилляции и выделить разные его компоненты, такие как азот или неон [34 - Это важный промышленный процесс. Неон и другие благородные газы используются в самых разных целях, а жидкий азот очень важен для охлаждающих установок, но его нужно отделить от жидкого кислорода – весьма опасного вещества. ]. Кальций плавится при 842 °C и кипит при 1484 °C, но эти температуры снижаются при понижении атмосферного давления. Однако для этого вовсе не обязательно строить химический завод в Гималаях, поскольку создать похожие условия на заводе довольно легко, и в 1946 году США уже внесли вакуумные насосы в «список контроля за экспортом», помешав торговой организации русских получить большой заказ.

Задача, стоявшая перед Лёвенхауптом и его коллегами, звучала так: им нужно было удостовериться, что 30 тонн кальция в месяц отправятся для использования в советской ядерной программе, а не для какого-либо понятного употребления в немецкой промышленности. Проведя расследование, они установили, что около 5 тонн не особенно чистого металла ежемесячно производилось во время войны для компаний Osram и Phillips – по всей видимости, для изготовления радиоламп; еще 20 тонн различных сплавов кальция с алюминием и цинком ежемесячно продавались немецким железным дорогам. Таким образом, получалось, что 30 тонн дистиллированного кальция никак не могли попасть к покупателям в немецкой промышленности, и, когда находившийся на заводе в Биттерфельде агент сообщил, что 26 июля 1947 года три железнодорожных вагона с дистиллированным кальцием отправились по адресу: Электросталь, Москва, п/я 3, Курская железная дорога, все должны были понять, что правда выплыла наружу.

Чтобы выяснить, что именно русские собирались делать с этим кальцием, агент на заводе в Биттерфельде похитил его образец, и, когда ЦРУ получили результаты полного анализа, стало ясно, что он обладает всеми техническими характеристиками, необходимыми для преобразования ионов урана в металлический уран высокой степени чистоты, готовый для применения в атомной энергетике. Добиться этого можно было следующим способом: сначала нужно было создать молекулы UF

, а затем провести их реакцию с металлическим кальцием, чтобы получить фторид кальция и металлический уран. Эту реакцию удобнее записать в виде вот такого уравнения:

2Ca + UF

? 2CaF

 + U.

Вы не видите в подробностях, как электроны меняют свою принадлежность в этой реакции, но, поскольку фтор всегда считается имеющим степень окисления минус один, за исключением газообразной формы F

, легко понять, что уран стартует со степени окисления +4, а каждый из двух атомов кальция приходит к степени окисления +2.

Одно из полезных свойств уравнения химической реакции заключается в том, что теперь мы можем точно подсчитать, сколько урана русские могли производить каждый месяц. Не буду утомлять вас деталями [35 - Тем не менее вот эти детали. На каждый атом урана вам требуется два атома кальция. Поскольку атомная масса урана – 238, а кальция – 40, это означает, что на 80 г кальция вы можете получить 238 г урана, а 30 тонн кальция дадут вам (по крайней мере, если теоретически предположить, что реакция пройдет хорошо) 30? 238: 80 = 187 тонн урана. ], но этот процесс не особенно отличается от подсчета количества меренги и майонеза, которое вы можете приготовить из определенного числа яиц. Поскольку уран гораздо «тяжелее» кальция, теоретически можно получить почти 200 тонн урана из 30 тонн кальция. При реальном производстве эта цифра ниже, а кальций используется с большим избытком. Американцы подсчитали, что с техническим максимальным выходом, равным примерно 1: 2, 2, из 30 тонн кальция получится лишь 66 тонн урана.

И все же основанные на этих цифрах подсчеты демонстрировали, что у русских гораздо больше урана, чем предсказывалось на основании доступных им источников этого элемента. По неясным причинам (Лёвенхаупт винил в этом «спесь») эта информация не привела к соответствующим действиям, иначе дата первых испытаний русской атомной бомбы наверняка была бы пересмотрена. Неизвестно, привело бы это к каким-либо изменениям, но фактором, который, возможно, оказал некое влияние, стала операция «Гаечный ключ», разработанная легендарным офицером МИ6 и химиком Эриком Уэлшем.

Самой важной технической характеристикой металлического кальция можно считать содержание примесного бора. Бор – элемент с символом В и зарядовым числом 5 – существует в природе в двух формах, которые мы называем изотопами: одна с пятью протонами и пятью нейтронами в ядре,