ХИМИЯ И МЕТАЛЛУРГИЯ

Статьи, публикации, книги, учебники по вопросам современной химии.

NEW ХИМИЯ


ХИМИЯ: новые материалы (2024)

Меню для авторов

ХИМИЯ: экспорт материалов
Скачать бесплатно! Научная работа на тему ХИМИЯ И МЕТАЛЛУРГИЯ. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-50). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement.

Полезные ссылки

BIBLIOTEKA.BY Беларусь - аэрофотосъемка HIT.BY! Звёздная жизнь


Автор(ы):
Публикатор:

Опубликовано в библиотеке: 2022-10-05
Источник: Наука в России, № 6, 31 декабря 2013 Страницы 59-65

Академик Леопольд ЛЕОНТЬЕВ, председатель Научного совета по металлургии и металловедению РАН, кандидат технических наук Илья НЕКРАСОВ, старший научный сотрудник Института металлургии УрО РАН (Екатеринбург)

Развитие человеческой цивилизации неразрывно связано с металлургией, за много веков прошедшей путь от "алхимической магии" до передовой области знания о способах получения самых востребованных конструкционных материалов. Впрочем, достижения в данной области были бы невозможны без кооперации с химией. И сегодняшняя металлургия, если рассматривать ее не только в экономическом аспекте, т.е. как одну из важнейших отраслей промышленности, но и в научном - это прежде всего высокотемпературная электрохимия. Как же формировался плодотворный союз двух наук?

Вероятно, первой химической технологией в истории человечества было производство металлов путем восстановления из руд в примитивных горнах. Поэтому самый древний металлург был по совместительству еще и химиком. Поскольку самой большой ценностью в древнем мире был огонь, то его берегли. Костры обкладывали камнями, защищавшими пламя от ветра и дождя. Сочетание древесного угля, некоторых пород камней и, конечно, высокой температуры периодически давало

стр. 59

Древний сыродутный горн.

интересный эффект: иногда, выгребая из очага золу, можно было заметить в ней застывшие капли восстановленного металла. Но прошло много времени, прежде чем очаг, предназначенный для обогрева и приготовления пищи, превратился в специализированный химический реактор - сыродутный горн, давний предок современной доменной печи.

Еще одно доказательство "генетической" связи химии с металлургией можно обнаружить в формулировках задач, которые ставили перед собой первые химики-экспериментаторы - алхимики древности и средневековья. Так, у английского философа и естествоиспытателя XIII в. Роджера Бэкона встречаем такое определение: "Алхимия есть наука о том, как приготовить некий состав, или эликсир, который, если его прибавить к металлам неблагородным, превратит их в совершенные металлы". Как видно, в формулировке заложены вполне практические цели, связанные с получением металлов через изобретение "философского камня". Не вдаваясь в подробности наследия алхимии, можно отметить ее вклад в науку. Прежде всего он обусловлен приобретением навыков экспериментальной химии, расширением ее технических возможностей, что и подготовило состоявшийся позднее разрыв практики и магии.

Именно из алхимии на последнем этапе ее развития выделилась техническая химия, тесно связанная с металлургией. Это событие ознаменовалось выходом энциклопедических трудов, обобщавших опыт металлургических и химических технологий: "De la Pirotechnia" (1540 г., 10 томов) итальянского алхимика и архитектора Ванноччо Бирингуччо и "De Re Metallica" (1556 г., 12 томов) немецкого ученого Георга Агриколы.

Со временем техническая химия превратилась в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении. На смену качественным зависимостям стали приходить количественные законы - свидетельство того, что идея атомов древнегреческого философа Демокрита (ок. 460 - ок. 360 г. до н.э.) окончательно вытеснила метафизику "философского камня" и начала приносить практические плоды.

После преодоления алхимии, т.е. с конца XVI в., формируются основы химии как науки. Один из основных ее законов - постоянства состава - открыт в начале XIX в. французским химиком Жозефом Луи Прустом. Суть его в том, что любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Тогда же английский естествоиспытатель Джон Дальтон открыл закон кратных отношений, ввел понятие атомного веса, рассчитал его для ряда элементов, составил первую таблицу атомных весов, заложив тем самым теорию атомного строения вещества. Чуть раньше немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер (член-корреспондент Петербургской АН с 1800 г.) в своих работах впервые привел количественные уравнения реакций и показал, что при образовании соединений элементы вступают во взаимодействие в строго

стр. 60

Плавильная печь XIII-XVIII вв. - все тот же горн древних, но усовершенствованный путем увеличения размеров и интенсификации дутья, что привело к росту температуры в рабочем пространстве (прообраз современной доменной печи).

Гравюра из книги М. В. Ломоносова "Первые основания металлургии или рудных дел" (1763 г.).

определенных соотношениях, впоследствии названных эквивалентами. Отметим, что на этих открытиях базируется теория металлургических процессов, а в конечном итоге и практическая сторона металлургии как отрасли современной промышленности.

Считается, что основы физической химии были заложены нашим великим естествоиспытателем Михаилом Ломоносовым* в 40-е годы XVIII в., когда он попытался объяснить химические явления на основе законов физики и теории строения вещества. По его определению, "физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях".

Нельзя не отметить, что Ломоносов также занимался металлургией как отраслью промышленности. В работах, посвященных ей, а также горному делу - "Первые основания металлургии или рудных дел" и "О слоях земных", - он дал понятие о рудных жилах, их возрасте и причинах происхождения. Описал известные способы получения ряда металлов и их свойства. Вместе с тем внес целый ряд оригинальных предложений, в частности, первым высказал идею извлекать металлы из руд действием растворов химических реагентов - именно этот подход лежит в основе современный гидрометаллургии.

Важную роль в создании теории энергетики химических реакций сыграл отечественный химик Герман Гесс (академик Петербургской АН с 1830 г.), автор основного закона термохимии - "постоянства теплоты". Он преподавал в Горном институте Петербурга - первом высшем техническом образовательном учреждении России (ныне Национальный минерально-сырьевой университет "Горный") и считается одним из основателей российских химической и металлургической учебно-научных школ.

Становлению химии как науки и теории металлургических процессов в немалой степени способствовали формирование понятия о химическом равновесии, а также разработка методов оценки скорости и направления развития реакций. Здесь мы выделим некоторых ученых, внесших значительный вклад в данные области знаний. Так, норвежский физико-химик Като Гульдберг и его соотечественник химик Петер Вааге в 1864 - 1867 гг. открыли закон действующих масс, лежащий в основе теории химического равновесия. А вот физик-теоретик, один из основоположников термодинамики и статистической механики Джозайя Уиллард Гиббс (США) получил признание за теоретическое рассмотрение химического равновесия. Его работы, посвященные равновесию гетерогенных систем, рассматриваются как одно из величайших научных достижений XIX в. Шведский физикохимик Сванте Аррениус (нобелевский лауреат 1903 г.) внес значительный вклад в формальную кинетику, а также теорию растворов.

Среди ученых того времени следует также отметить тех, без пионерских работ которых было бы


* См.: Э. Тропп. На пути к универсальному знанию. - Наука в России, 2011, N 5 (прим. ред.).

стр. 61

невозможно появление электрометаллургии, технологий электролиза. Например, английскому физику-экспериментатору и химику Майклу Фарадею (иностранный почетный член Петербургской АН с 1830 г.) принадлежат фундаментальные труды в области электролиза и индукции. Кроме того, он проводил опыты по выплавке стали с никелем и открыл нержавеющую сталь. Итальянский физик, химик и физиолог Алессандро Вольта в 1803 г. изобрел первый химический источник тока, так называемый "вольтов столб". В том же году русскому физику академику Петербургской АН Василию Петрову удалось создать самый мощный на то время "вольтов столб". Годом раньше он же открыл электрическую дугу и доказал ее применимость для плавки и сварки, восстановления металлов из руд.

Отметим также французских химиков Клода Бертолле и Гаспара Монжа, которые еще в конце XVIII в. в своих работах "Различные состояния железа" и "Наставление о выделке стали" сделали вывод о том, что различие между железом, чугуном и сталью в первую очередь определяется содержанием углерода. Высказанные ими представления о роли этого элемента в сплавах железа, развитые впоследствии другими учеными, способствовали развитию металловедения как самостоятельной отрасли знаний.

Отдельно необходимо остановиться на наследии русского ученого Дмитрия Менделеева*. Открытие им в 1869 г. Периодической системы элементов - одно из самых важных событий в истории науки. Главная особенность периодического закона - его "предсказательность". Иными словами, он позволяет описывать свойства элементов, которые еще не открыты. Без развития идей о связи атомных весов


* См.: М. Савченко. Гордость и слава России. - Наука в России, 2004, N 1 (прим. ред.).

стр. 62

с физическими и химическими характеристиками были бы невозможны современные наука и технологии. Этим достижением человечество доказало, что оно все больше и больше осваивается в мире атомов Демокрита.

Значительная часть деятельности Менделеева была посвящена технико-экономическим исследованиям в области освоения рудных и угольных месторождений России и организации, говоря современным языком, "промышленных кластеров", прежде всего в Сибири и на Урале. Менделееву также принадлежит постановка фундаментальной проблемы "прямого получения железа и стали из руды, обходя чугун", решению которой отводится много внимания и в настоящее время.

Развитие металлургии как науки в XIX в. связано с именами ряда отечественных ученых. Так, Павел Аносов, будучи крупным организатором горнозаводской промышленности, предложил технологию производства булатной стали, Дмитрий Чернов в своих трудах заложил основы металловедения и теории термической обработки стали. Академик Михаил Павлов, чья деятельность протекала в конце XIX - первой половине XX в., еще в 1894 г. опубликовал в горном журнале первое в России теоретическое исследование теплового баланса доменных печей, работающих на древесном угле.

Как же сами специалисты оценивали роль химии в становлении металлургической науки? Приведем мнение Ивана Соколова, являвшегося, по признанию современников, отцом российской и советской школы теории металлургических процессов. Создавая ее основы, Соколов, по его словам, широко использовал фундаментальные труды французского физика и химика Анри Ле Шателье, немецкого химика Вальтера Нернста (нобелевский лауреат 1920 г.), голландского химика Якоба Вант-Гоффа (нобелевский лауреат 1901г.) по химическому равновесию и термодинамике. Такого же мнения по поводу роли работ этих ученых придерживался и другой известный ученый-металлург член-корреспондент АН СССР (с 1927 г.) Владимир Грум-Гржимайло.

стр. 63

Интересна в этой связи судьба самого Ивана Соколова. В 1891 г. он закончил физико-математический факультет Петербургского университета и последующие семь лет преподавал математику в гимназиях Выборга и Архангельска. Как он писал позднее, жизнь в северных районах пробудила в нем интерес к геологии и он оставил преподавательскую деятельность, поступив в Петербургский горный институт. Придя в металлургию, стал, в первую очередь, химиком, о чем свидетельствуют его работы "О восстановимости железных руд" (1909 г.), "Химическая термодинамика и теория металлургических процессов" (1933 г.), "Термодинамика доменного процесса" (1933 г.). Соколов считал, что "металлургия - это химия высоких температур". Осуществляя руководство реконструкцией уральских заводов, особое внимание он уделял вопросам доменного производства и подготовки сырья. Многие годы ученый преподавал в высших учебных заведениях Екатеринбурга и Томска, слушателями его курсов были Олег Есин (впоследствии - основоположник уральской физико-химической школы металлургов, доктор технических наук) и Григорий Чуфаров (будущий автор трудов по физикохимии металлургических процессов, член-корреспондент АН СССР).

Вероятно, следующим качественным скачком стало понимание специалистами, что металлургия - не просто химия высоких температур, а высокотемпературная электрохимия. И в данном контексте нельзя не упомянуть о роли в становлении теории этого нового направления академика Александра Фрумкина (1895 - 1976). Его работы в основном были связаны с электрохимией водных сред, но в то же время они затрагивали фундаментальные вопросы поверхностных явлений, взаимодействия на межфазных границах и поэтому являлись основополагающими для всей электрохимической науки (в том числе и для электрохимии расплавов - ионных жидкостей).

стр. 64

Идеи Фрумкина оказали значительное влияние на развитие уральских электрохимических школ, занимавшихся проблемами металлургии начиная с 20-х годов прошлого века, в том числе члена-корреспондента АН СССР Сергея Карпачева, доктора химических наук Армина Стромберга, уже упоминавшихся Олега Есина и Григория Чуфарова.

Сергею Карпачеву принадлежат пионерские работы по электрохимическим свойствам ионных расплавов. Его работы, посвященные изучению технологических процессов получения магния и алюминия, способствовали решению ряда теоретических и практических задач. Ему принадлежит создание методики измерения вязкости оксидных расплавов, им также достигнуты важные результаты в изучении вязкости многих оксидных систем, в том числе доменных шлаков.

Карпачев считается основоположником Уральской школы электрохимии, внесшей большой вклад в разработку и совершенствование технологий получения тугоплавких и редких металлов, в первую очередь стратегически важных. За большие заслуги в развитии науки и оборонной техники, в решении проблем, связанных с созданием ядерного щита СССР, ученый дважды удостоен Государственной премии.

Одним из сотрудников лаборатории электрохимии расплавленных солей, организованной в 1932 г. Карпачевым, был Армии Стромберг. В совместных исследованиях им удалось установить значения потенциалов нулевого заряда десяти жидких металлов и экспериментально доказать некоторые теоретические выводы академика Фрумкина. Позднее Стромберг получил известность как один из создателей нового высокочувствительного электрохимического метода анализа - инверсионной вольтамперометрии, успешно развиваемой в наши дни его учениками и последователями.

Олег Есин впервые применил законы электрохимии к анализу процессов взаимодействия основных металлургических фаз - металла и шлака. Таким образом, им было создано новое научное направление - электрохимическая теория взаимодействия металла и шлака (расплавленного электролита). Мировое признание Есину принесли исследования по совместному разряду ионов при электролизе и работы по теории двойного электрического слоя на границе "металл-шлак". Им впервые высказана точка зрения о том, что расплавленные шлаки (силикаты) представляют собой полианионные жидкости и являются микронеоднородными системами. Именно эти идеи лежат в основе теорий строения шлаковых расплавов, развивающихся в России и за рубежом. Есин также внес неоценимый вклад в развитие школы ученых-металлургов в Уральском политехническом институте.

Соавтором Олега Есина по фундаментальному двухтомному труду "Физическая химия пирометаллургических процессов" является Павел Гельд (член-корреспондент АН СССР с 1970 г.). Его основные исследования посвящены проблемам пирометаллургии. Он способствовал развитию теории высокотемпературного восстановления и обнаружил ступенчатый характер восстановления кремнезема. Изучал связь физических свойств твердых и жидких сплавов и соединений переменного состава, теплофизические характеристики переходных металлов и сплавов на их основе, а также параметры, характеризующие поведение в них водорода. Исследовал и обобщил данные по атомной и электронной структуре боридов, карбидов, нитридов, силицидов и гидридов переходных металлов.

Григорий Чуфаров внес значительный вклад в изучение термодинамики, кинетики и механизма гетерогенных окислительно-восстановительных процессов в системах, содержащих оксиды металлов. Его научные идеи использованы в промышленных технологиях переработки железных, кобальтовых и ниобиевых руд, обезуглероживания и травления трансформаторного листа, в создании смазок для процессов прокатки металла и др.

Итак, десятилетия развития химии и металлургии не только как наук, но и как отраслей промышленности вывели ученых и технологов еще в середине XX в. на атомарный уровень строения материи (термин "нано" тогда еще не употреблялся) - без таких исследований и разработок получение сплавов с феноменальными свойствами для нужд обороны, авиации, кораблестроения вряд ли оказалось бы возможным. Средневековые алхимики увидели бы в этом магию. Но мы-то знаем, что успехи эти - результат коллективных усилий нескольких поколений ученых, всегда сознававших ответственность перед будущим.


Новые статьи на library.by:
ХИМИЯ:
Комментируем публикацию: ХИМИЯ И МЕТАЛЛУРГИЯ

© Леопольд ЛЕОНТЬЕВ, Илья НЕКРАСОВ () Источник: Наука в России, № 6, 31 декабря 2013 Страницы 59-65

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle
подняться наверх ↑

ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!

подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ?

ХИМИЯ НА LIBRARY.BY

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.