Мрачные прогнозы об истощении запасов нефти, платины, меди и других полезных ископаемых не раз уже становились мировой сенсацией, казались реальными, но открывались новые месторождения — и в мире снова на некоторое время становилось спокойно. Подтвердился только один такой прогноз-относительно селитры. Ее месторождения — крупные в Чили, более мелкие в Индии, Средней Азии — в начале нашего века уже были почти отработаны, а новых найти нигде не удалось. Минералы селитры — азотнокислые соли натрия, калия, аммония — единственное в недрах сырье для получения азотной кислоты и множества ее производных, среди них таких важных, как удобрения и взрывчатые вещества.
Выход остался только один — осваивать «надземное» месторождение, воздушный океан. Азота в воздухе 78,08 процента, в десятки раз больше, чем в селитре, а запасы практически почти безграничны. Однако свободный азот инертен, соединить его с кислородом, создать окись, необходимую для получения кислоты, тогда удавалось лишь при температуре пламени вольтовой дуги (3000 °C).
В 1902 году был построен завод, использующий дешевую энергию Ниагарского водопада. Днем и ночью на 185 вольтовых дугах «сжигали» азот, но выход его окислов не превышал 2 процентов, а затраты электричества были так велики, что этот путь пришлось признать тупиковым. Всевозрастающая нехватка удобрений вела к снижению урожайности, и азотный голод грозил голодом всеобщим.
Выход был найден лишь в следующем десятилетии, когда Ф. Габер и К. Бош разработали аммиачный метод связывания азота, применив платиновые катализаторы. Свободный азот выделяют испарением из жидкого воздуха и при высоких температуре и давлении (500 °C, 800 атм) соединяют с водородом в присутствии катализатора.
Полученный аммиак смешивают с кислородом, нагревают почти до 1000 °C и под давлением (10 атм) прогоняют в контактном аппарате сквозь ажурные, имеющие 3–4 тысячи отверстий на одном квадратном сантиметре, сетки из тройного сплава, в котором 93 процента платины, 4 процента палладия, 3 процента родия. Добавка палладия несколько увеличивает активность катализатора и снижает его стоимость, а родий увеличивает срок службы сеток.
Из аммиака и кислорода в контактном аппарате образуется окись азота и вода. Химизм процесса представляют так: высокая температура ослабляет прочность молекул кислорода и при соприкосновении с платиной ковалентная связь О-О рвется и взаимодействие приводит к образованию связей Pt-О. Платину обволакивает кислород, но эта связь непрочна, ее рвут молекулы аммиака; сами они при этом распадаются на водород и азот, которые под энергичным воздействием активированного кислорода образуют окись азота и воду. Они слабо адсорбируются на платине, их смывает газовый поток, а на катализаторе снова накапливается кислород, реагируя с новыми порциями аммиака. Получение окиси азота таким способом требует затраты энергии в сто раз меньше, чем в вольтовой дуге. Процесс идет быстро, и его можно организовать в любом месте, была бы платина. Заменить ее более дешевым катализатором удалось только при получении аммиака. Для синтеза окиси азота платина остается незаменимой. Только на ней процесс идет без побочных реакций. Все иные катализаторы не защищают от образования закиси азота и других веществ, резко снижающих качество конечного продукта.
Мировое производство связанного азота уже приближается к 25 миллионам тонн в год, и около 80 процентов его расходуют на получение азотных удобрении, но и этого огромного количества мало. Подсчитано, что для получения оптимальных урожаев на посевных площадях земного шара надо затрачивать около 100 миллионов тонн удобрений. Применяемая уже полвека технология-дорогая и сложная, не обеспечивает ликвидации азотного голода. Усилий для создания новых методов, более экономичных и быстрых, затрачивается очень много. Перспективно получение окиси азота из горячей плазмы в реакторах — плазмотронах или из холодной плазмы в ускорителях электронов высоких энергий, но о практическом применении таких способов говорить еще рано. Также сулит успех использование «патента» бактерий, связывающих азот. Установлено, что для его активизации бактерии тоже используют катализаторы — микродозы переходных металлов и, по-видимому, всем из них предпочитают платину.
Расход ее в промышленности на «связывание» азота оценивают сейчас в 15–20 тонн в год, и вряд ли в ближайшем будущем, даже если «патент» бактерий будет широко использован, удастся расход уменьшить.
Почти одновременно с азотным человечество ощутило и углеводородный голод, порожденный распространением двигателей внутреннего сгорания. Для того чтобы обеспечить их «питание», был создан термическим крекинг-разделение нефти на фракции по температурам кипения. При этом выход наиболее ценной легкой фракции-бензина был мал (ароматические углеводороды, из которых его удается получить, обычно занимают подчиненное место в составе нефти).
Академик Н. Д. Зелинский в 1911 году установил что в присутствии платины происходит ароматизация нефти, входящие в ее состав нафтеновые углеводороды дегидрируются, отщепляют водород и могут быть быстро превращены в ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилол и их производные.
Реализация идеи Зелинского привела к замене термического крекинга каталитическим платформингом — роль в нем платины подчеркнута самим названием.
Этот высокопроизводительный способ обеспечивает переработку колоссальных количеств нефти. Проходя сквозь реактор, она соприкасается с мелкими (до 5 миллиметров), покрытыми дисперсной платной шариками из окиси алюминия. Платина по весу составляет в них менее одного процента, но поверхность соприкосновения с нефтью очень велика и мгновенно происходит чудо: из нафтеновых фракций, которые иными способами не поддаются переработке, удается получить бензин и ароматические углеводороды, незаменимое сырье для синтеза каучука, нейлона, полиэфирных волокон, различных смол — всего сейчас из нефти получают более 5 тысяч синтетических продуктов. Каталитический платформинг сделал возможным получение бензинов высшего качества, с очень высоким октановым числом, что определило возможность увеличить мощность двигателей и уменьшить их размеры.
Механизм катализа нефти, по-видимому, определяется мгновенной жизнью комплексных соединений платины и их преобразованием в углеводороды иной структуры.
За последние годы удалось несколько снизить расход платины на нефтехимический синтез применением риформинга — метода переработки под высоким давлением водорода с меньшей затратой катализатора, но и при этом затрачивается в мире не менее 5 тонн платины в год.
Автомобили по темпу «рождаемости» обгоняют людей, и нет оснований надеяться на снижение темпа. Сейчас по планете бегает более 300 миллионов автомобилей, и каждый из них — это «маленький вулкан» выбрасывающий за год в атмосферу примерно 800 килограммов окиси углерода, 200 килограммов различных углеводородов и 40 килограммов окислов азота (которые, к сожалению, использовать невозможно). Кроме того, каждый автомобиль на бегу поглощает кислорода, как 300 человек. Допустимое содержание окиси углерода — 0,03 милиграмма на литр воздуха, и нетрудно подсчитать, в каких масштабах портят его «маленькие вулканы» на колесах.
Полвека назад авторы «Золотого теленка» призывали пешеходов любить и спасать. Теперь этот призыв утратил юмористический оттенок: спасать приходится не только пешеходов, но и автомобилистов — загазованность улиц стала реальной опасностью. Способы борьбы с нею ясны, но трудно осуществимы. Кардинальное решение только в отказе от бензина, замене его иным, безвредным топливом. А пока реальный путь — улучшение качества бензина и установка на автомобилях «дожигателя» — каталитического нейтрализатора отработанных газов, В нем вредные газы выгорают, соприкасаясь с керамическими шариками, покрытыми дисперсной платиной.
Каталитические нейтрализаторы получают все более широкое распространение. Например, в США на их изготовление в 1976 году было израсходовано около 15 тонн платины-больше, чем на все другие виды катализа, вместе взятые. Ведутся в этом направлении работы и в нашей стране. Стоимость нейтрализатора около 300 рублей (см. «Литературную газету» от 31 января 1979 года).