Что такое химия? Это наука-волшебница, без которой нам не
одеться, не поесть и вообще - никуда... А еще это - один из самых
нелюбимых школьных "предметов" - вспомним, например, образ
"химички" в телевизионной рекламе "про Сидорова".
Два дня в неделю я тоже - учитель химии в школе им.
А.Н.Колмогорова при МГУ (знаменитый физ-мат интернат для "умных"
старшеклассников). И часто на самых первых уроках в физико-
математических и экономических классах на доске появляется
надпись: "Химия - не наука!" Радостно с этим соглашаюсь: -
Конечно, не наука. И вообще, математика - частный случай физики
(легкий ропот), физика - частный случай химии (сильный ропот), ну
а химия - не наука, а частный случай хотя бы ...(нажимаю кнопку
электровоспламенителя). И продолжаю обалдевшему от "спецэффекта"
классу - да, химия всего лишь частный случай пиротехники (в
переводе с греческого - огненного искусства). А чтобы понять, что
мы сейчас видели (обычно мощный искристый фонтан), вспомним методы
решения расчетных задач (математика), основы строения вещества
(физика) и, наконец, химические свойства веществ...
Вспомогательная роль в искусстве приготовления фейерверков не
унизительна для химии. Достаточно привести отчет о работе нашего
великого соотечественника М.В.Ломоносова за 1756 год.
"В химии: 1) Между разными химическими опытами, которых
журнал на 13 листах, деланы опыты в заплавленных накрепко
стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов
от чистого жару; оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойла
мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного
металла остается в одной мере;
2) Учинены опыты химические со вспоможением воздушного насоса, где
в сосудах химических, из которых был воздух вытянут, показывали на
огне минералы такие феномены, какие химикам еще неизвестны;
3) Ныне лаборатор Клементьев под моим смотрением изыскивает по
моему указанию, как бы сделать для фейерверков верховые зеленые
звездки."[1]
В течение года великий ученый открывает закон сохранения
массы вещества при химических реакциях, проводит первые
исследования термораспада минералов при пониженном давлении и...
делает пиротехнические составы зеленого пламени! К сожалению, в
лабораторных записях отсутствуют указания на состав "препаратов
для зеленого огня".
1756 год - время бурного развития "огненных потех" в России.
Фейерверки сопровождали постоянно организуемые императрицей
Елизаветой балы и маскарады. В отличие от своего отца Петра
Великого, любившего собственноручно набивать и запускать ракеты,
Елизавета нагружает "легкомысленной" работой немногочисленных
ученых. Впрочем, финансовые "гранты" за прикладные пиротехнические
исследования позволяли, как и сейчас, развивать фундаментальную
науку.
С чего же начиналась пиротехника - искусство управления
огнем? По-видимому, основными "историческими предпосылками" были
не военные потребности. По данным китайского историка химии,
профессора Ли Чао-пинга, самым первым шагом к современным
пиротехническим смесям были "огненные трещотки", предназначенные
для отпугивания злых духов [2]. Пучок тонких бамбуковых щепок
горит с треском. Этот треск усиливается, если щепки преварительно
пропитать раствором поваренной (морской) соли. А если морскую
соль, заменить "земляной", собранной, например, вблизи мест
захоронений в сухих пустынях, то треск становится еще сильнее.
Разумеется, такая трещотка сильнее воздействует на упомянутых
духов. Современная эзотерическая литература также рекомендует
разрушать "негативные психоэнергетические матрицы"
пиротехническими средствами, например, стрельбой из стартового
пистолета [3].
Путь от бамбуковой "огненной трещотки" до современной
фейерверочной ракеты с яркими разноцветными звездочками-огнями
человечество проходило не менее 1500 лет. Знание самого
элементарного школьного курса химии позволяет освоить изготовление
простых фейерверков за несколько дней. Кроме знаний, потребуется
терпение и высочайшая аккуратность в работе.
История пиротехники.
В наше время пиротехникой называют науку о свойствах горючих
смесей и изделий из них, способах их изготовления и применения.
Пиротехнические составы широко используются в военном деле и в
промышленности. Мы будем рассматривать пиротехнику в более узком
смысле - как науку, знание которой необходимо для создания
произведений фейерверочного искусства.
Даже для самого простейшего фейерверка требуется смесь
калиевой селитры, древесного угля и серы. Горючие свойства этой
смеси известны человечеству не менее полутора тысяч лет. Несколько
меньший срок люди знакомы с метательным действием и взрывчатыми
свойствами данной смеси, получившей название "черный" или "дымный
порох". История создания черного пороха, служившего единственным
взрывчатым веществом в течение по крайней мере 600 лет, прежде
всего является историей развития промышленного неорганического
синтеза. Два из трех компонентов - сера и древесный уголь -
известны с древнейших времен. Но только разработка методов
получения и очистки легко разлагающегося окислителя - калиевой
селитры - позволила человеку осуществить горение без доступа
воздуха.
Первые упоминания о применении боевых горючих смесей
относятся к "греческому огню" - таинственному и страшному оружию
Византийской империи. Так, в 670 и 718 г н.э. этим зажигательным
средством были уничтожены корабли арабского флота, осаждавшего
Константинополь (Царьград). Изобретение "греческого огня" обычно
приписывают механику и архитектору Каллиникосу из Гелиополиса
(византийская провинция на территории современной Сирии)[4].
Из разных описаний (например, "Огненная книга" Марка Грека,
издана в Константинополе в конце XIII в.) следует, что в состав
"огня" входили смола, сера, нефть, масла. Английский военный
историк полковник Хайм считал, что высокую горючесть "огню"
придавала добавка негашеной извести. Можно допустить, что ранние
составы "греческого огня" не содержали селитры и, соответственно,
не могли гореть без доступа воздуха. Однако возвратившиеся из
неудачного похода на Царьград в 941 г. ратники князя Игоря
рассказывали:"У греков в руках точно молние небесное, которое они
пускали трубами и жгли нас; вот почему и не одолели мы их"[5]. Из
описаний следует, что огонь "пускали трубами", причем с близкого
расстояния. Но смесь, не содержащая окислителя (селитры), не могла
гореть в трубах! Вполне вероятно, что "греческий огонь" образца
941 г. содержал селитру.
"Родиной" селитры можно, по-видимому, считать Китай. Первое
описание состава и рецепта приготовления горючей смеси из селитры,
серы и угля (или бамбуковых опилок) обычно связывают с именем
даосского алхимика и врача династии Тан Сунь Сымяо (Сунь Сымо)
(601-682 г. н.э.). В его трактате "Цянь цзинь яофан"("Бесценные
рецепты"), впервые напечатанном в 1066 г. и переизданном в 1307,
1544 и 1604 гг., вспышка пороховой смеси трактуется как слияние
холодного и спокойного женского начала "инь" - селитры - с горячим
и подвижным мужским началом "ян" - серой. Приводимый состав смеси
(40 частей селитры, 20 частей серы, 5 частей угля) соответствует
медленно горящему ракетному топливу, но не взрывчатому пороху.
Фейерверки на основе горючих смесей были известны в Китае и
раньше, при династии Сюй (589-618 гг.н.э.), а "огненные стрелы"
упоминаются как средство обороны в летописи "Трех царств" (181-234
гг.н.э.)[2]. Селитра ("земляная соль") упоминалась как
лекарственное средство в медицинской книге "Шеньнун бэньцацзин" во
2 в.до н.э.[6]
Возможно, что метаемый трубами "греческий огонь" был
приготовлен на основе импортной селитры, причем рецепт ее
получения не был известен в Византии (Константинополе или
Царьграде). Этим можно объяснить достаточно редкое использование
мощного оружия и то, что оно не спасло греков от поражения войском
киевского князя Святослава в 971 г. и от разгрома Царьграда
крестоносцами в 1204 г. В последнем случае греки использовали
зажигательные лодки (брандеры), но не "трубы, огонь извергающие".
Селитра в Византию поставлялась из арабских стран. В начале
XIII в. рецепты ее изготовления были записаны арабскими учеными
(Ибн аби Узайбиа, Абд Алла Ибн Бейтар, Шемседдин Мохаммед),
которые, в свою очередь упоминают о "китайских огненных стрелах".
К XIII веку арабская империя простиралась от Индии до Испании.
Завоевав огромные территории, халифы ("заместители" пророка
Мухаммеда) поощряли развитие науки и торговлю. Арабы собрали и
обобщили культурные достижения покоренных ими народов. На арабский
язык были переведены главные сочинения греческих, еврейских,
восточных философов и ученых. Арабские купцы торговали с Китаем и
Западной Европой. Они же поставляли "китайский снег" или
"китайскую соль" - очищенную селитру - для медиков с начала XIII
века. А несколько позже Шемседдин Мохаммед описал и стрельбу
посредством порохового заряда (ок.1304 г.). С боевым применением
горючих смесей на основе селитры европейцы познакомились во время
крестовых походов (1250 г.) и в сражениях с маврами в Испании.
Селитра получается при разложении животных и растительных
остатков. Древний термин "sal petre"(англ.) или "nitrum" (лат.)
означает белую соль, добываемую из земли,- им называли и
поваренную соль, и соду. Латинский термин происходит от арабского
"ntrum". В условиях жаркого климата и длинного сухого сезона,
обеспечивающих достаточно быстрое разложение органических веществ
и накопление кристаллического налета на почве, образование смеси
нитратов - обычное явление. Однако выделение из естественной смеси
достаточно чистой калиевой селитры, пригодной для приготовления
горючих составов, требовало значительных химических знаний.
Наиболее подходящий для накопления "селитряной земли" климат был в
Южном Китае, Северной Африке, Сирии и Индии. Научные знания
китайцев в то время позволили им организовать производство
довольно чистой селитры. С XIII века технология была перенята
арабами. Хотя иногда калиевую селитру называют "индийской",
утверждения об ее индийском историческом происхождении неверны.
Для производства "селитряной земли" использовали смесь навоза,
костей и внутренностей животных, помещаемых в специальные ямы с
золой и известью. Образованные касты индийского общества не могли
соприкасаться с таким сырьем и, следовательно, разработать
технологию выделения и очистки селитры. Однако в ХIII веке в Индии
уже сформировалась каста "селитрянщиков", которые производили
нитрат калия в больших количествах скорее всего по китайской
технологии. Вспомним, что арабы называли очищенную калиевую
селитру "китайским снегом". Известный ученый и путешественник
Марко Поло, посетивший Китай в 1274-1291 гг., описал эту
технологию. После экстракции водой из "селитряной земли" и
упаривания раствора получали "белую доброкачественную соль". Этот
продукт китайцы использовали и как поваренную соль,- известно, что
нитраты улучшают консервирующее действие хлорида натрия.
Сопоставление литературных источников, никак, казалось бы не
связанных тематически, позволяет сделать очень интересное
предположение. В самой известной книге по истории Православной
Церкви (30 изданий до 1917 г.) сообщается, что один из первых
христианских монахов, Аммон (обратите внимание на имя!), в
середине IV в н.э. основал монастырь недалеко от Александрии
(Египет) на горе Нитрийской [6а]. Гора так называлась из-за обилия
на ней "нитры". Хотя такое название использовалось в это время не
только для селитры (см. выше), нельзя исключить, что Каллиникос,
который скорее всего исповедовал христианство, получал необходимый
для "греческого огня" окислитель из нитрийских монастырей (к концу
IV в. их было 50). К сожалению, в книге [6а] нет сведений о
производственной деятельности иноков нитрийских монастырей,
поэтому приоритет открытия пиротехнического применения селитры
традиционно остается за Китаем.
Более подробно древняя технология получения селитры описана в
книге А.Маршалла "Взрывчатые вещества" (1915 г.) на примере
производства, еще существовавшего в Индии в XIX в.[4]: "Сырая"
селитра до перекристаллизации содержала от 30 до 65% нитрата
калия, до 14% нитратов кальция и магния, от 15 до 35% хлорида
натрия, до 15% сульфата натрия. После первой перекристаллизации
содержание нитрата калия увеличивалось до 82-90%, но такая селитра
содержала еще до 7% хлорида и нитрата натрия. Поскольку нитрат
натрия гигроскопичен, селитра для производства пороха требовала по
крайней мере двух перекристаллизаций".
Поскольку хранящийся в библиотеке Лейдена арабский манускрипт
1225 года с рецептами зажигательных смесей еще не содержит
упоминаний о селитре, дата появления пороховой смеси в Европе
определяется довольно точно - между 1225 и 1249 годами. Первым
европейским ученым, описавшим приготовление пороха не позже 1249
г., считают Роджера Бекона (1214-1294). Современники Бекона не
смогли прочитать 9, 10 и 11 части его книги "Письмо о тайнах
искусства и природы и о ничтожности магии" ("Epistola de Secretus
Operibus Artis et Naturae et de Nullitate Magia"). Эта книга
содержала, наряду с описанием многих "чудес", осуществляемых
благодаря науке, методику очистки селитры и приготовления из нее
высококачественного пороха. Р.Бекон считал эксперимент основой
развития науки и, в отличие от современников, описывал только
проверенные собственным опытом данные. Однако методика получения
пороха была зашифрована так, что текст могли понять лишь
посвященные. Полная расшифровка опубликована только в конце ХIХ
века. Р.Бекон считал, что рецепт приготовления взрывчатого порошка
не должен попадать в руки случайных необразованных людей,
способных применить его во вред себе и другим. Знания тех из
читателей, кто способен прочитать шифр, являлись, по мнению
автора, защитой от антигуманного применения рецепта. Впрочем, не
менее надежной защитой секретов была редкость книг, в то время
рукописных (книгопечатание появилось в Европе в 1455 г.). Поэтому
от появления первых записей рецептов до массового применения
пороха прошло довольно много времени.
Широкое распространение рецепта приготовления пороха в Европе
связано с другим именем - графа Альберта фон Больштедта (Albertus
Magnus - Альберт Великий) (ок.1193-1280). Хорошо образованный
философ и богослов, он много путешествовал, а его авторитет
способствовал распространению (переписыванию) его книг.
В то же время или несколько позже в Европе распространилась
"Огненная книга" Марка Грека ("Liber ignium ad comburendos
hostes"), в которой он описал "гремящие" и "летающие" трубы с
пороховой смесью - примитивные бомбы и ракеты. Приведенный им
состав пороховой смеси мог обеспечить ее быстрое (взрывное)
сгорание. Впрочем, имеются данные, что эта книга написана гораздо
раньше, в 846 г.[6].
В 1300 г. во Фрайбурге (Германия) была отлита первая
европейская пушка [7]. В этом же городе жил и монах Бертольд
Шварц. Впервые его имя, как изобретателя артиллерии, упоминается в
Уставе французского монетного двора (1354). На монументе во
Фрайбурге, воздвигнутом в честь Бертольда Шварца, датой
изобретения им пороха назван 1353 г. В университетской библиотеке
Фрайбурга хранится описание огнестрельного оружия, датированное
1432 годом. Там сказано: "Францисканский монах Черный Бертольдус
был известным алхимиком. Однажды он собирался обжигать краску
золотого цвета, для чего смешал селитру, серу, свинец и масло,
поместил смесь в хорошо закупоренный горшок и стал нагревать его.
Горшок взорвался. Также взорвался при нагревании и медный сосуд с
этой смесью. Тогда Бертольдус заменил свинец и масло угольным
порошком, затем нагрел смесь в метательной трубке (gun cast) с
камнями, чтобы проверить, будут ли камни вылетать, как куски от
сосудов. Затем он улучшил смесь и метательную трубку, создав
черный порох и огнестрельное оружие"[8]. Бертольда Шварца можно
считать изобретателем пороха в Германии, если только исходить из
сообщения утерянной позже рукописи - хроники города Гента: "1313.
В этом году впервые в Германии были созданы монахом пушки."[8].
При всей противоречивости сведений о первооткрывателях пороха
и пушек временем создания огнестрельного оружия являются первые
годы XIV века. Главной предпосылкой превращения горючего порошка в
метательное взрывчатое вещество стал прогресс металлообработки,
позволяющий изготовить прочные стволы. В Китае метательное
огнестрельное оружие ("копья яростного огня", 1259) долгое время
делали из бамбука, а первые металлические пушки появились лишь при
императоре Ченг-Су династии Мин (1403-1424 гг.). В то же время
известно о китайских металлических пушках с клеймом 1055 г [6].
Огнестрельное оружие было использовано в 1326 г. в Англии и
Флоренции, в 1331 г в Германии. В России первые пушечные выстрелы
прозвучали при Дмитрии Донском. "Лета 6897 (1389 г.) вывезли из
Немец арматы на Русь и огненную стрельбу и от того часу уразумели
из них стреляти" - сообщает Голицынская летопись. Однако
"Софийский временник" упоминает о более раннем боевом применении
пушек - при обороне Москвы в 1382 г. от войск татарского хана
Тохтамыша.
Серьезное усовершенствование черного пороха сделано в 1525 г.
(Франция) - вместо тонкого порошка (мякоти) начали использовать
гранулированный (зерненый) порох. Тем не менее за твердыми черными
зернами, кубиками и призмами размером от 1 мм до нескольких
сантиметров в поперечнике сохранилось название "порошок, пудра,
порох" - "pulver"(латынь), "poudre"(Франция), "powder"(Англия). До
XV века в России огненный порошок называли "зелье", как и всякие
другие смеси с удивительными свойствами. В Петербурге сохранилась
улица Большая Зеленина, которая была названа при Петре 1 "Большая
Зелейная", поскольку на ней находился пороховой завод. Современные
бездымные метательные взрывчатые вещества, выпускаемые в виде
зерен, пластинок, палочек и трубок различной формы и цвета, по
традиции тоже называются порохами.
Наряду с использованием пороха для стрельбы, боевое
применение нашли и пороховые ракеты. Если в древнейшие времена они
оказывали на противника скорее психологическое воздействие (есть
данные об использовании индусами ракет против войск Александра
Македонского в IV в. до н.э.!), то затем появились штатные
сигнальные и фугасные ракеты. Созданная в 1680 г. в Москве Петром
1 специальная мастерская "Ракетное заведение" разработала
однофунтовую сигнальную ракету с высотой подъема до 1 км,
использовавшуюся до конца XIX века. Боевые фугасные ракеты с
дальностью полета 2,5-2,7 км разработали в начале ХIХ века
полковник Конгрев (Англия) и генерал А.Д.Засядко [9].
Древняя пиротехническая смесь сохраняет значение и в наше
время. Последний патент получен в 1988 г (N 4681643, США) -
разработано дешевое ракетное топливо на основе черного пороха и
нитроцеллюлозы в качестве связующего.