Химия во власти пространства

74

Х.А.Исхаков, М.Т. Кобылянский, Л.А. Филипович

УДК 378.14

Х.А.Исхаков, М.Т. Кобылянский, Л.А. Филипович ХИМИЯ ВО ВЛАСТИ ПРОСТРАНСТВА

Пространство есть форма бытия материи, характеризующая её протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.

Философский словарь. М.: Сов. энц., 1989. - 815 с.

Вещество одного и того элементного состава может резко менять свои свойства в зависимости от пространственной структуры. Так, например, для углерода наиболее характерны две пространственно-структурные формы, резко отличающиеся по своим свойствам - графит и алмаз. Кристалл графита состоит из плоских сеток углеродных атомов, располагающихся друг над другом с чередованием горизонтально расположенных сеток через одну, т.е. по типу АВАВ. В графите каждый атом углерода соединен ковалентными связями в плоской сетке с тремя другими атомами углерода. Графит -один из самых мягких минералов, по шкале твердости минералов занимает верхнюю позицию.

Прямая противоположность графиту - алмаз, по шкале твердости самый твердый минерал. Причина довольно проста -объемная структура алмаза располагается в кубическом пространстве, где каждый атом углерода в отличие от графита соединен с четырьмя другими. Между этими двумя крайне противоположными состояниями углерода возможны промежуточные состояния- они могут быть созданы природой в глубинных слоях земли, граничащих с верхней мантией, где температуры порядка около 3000оС и давление в сотни тысяч атмосфер и оказаться на поверхности в результате вулканической деятельности подобно находкам металлического алюминия, а также созданы самим человеком. Примеры уже имеются - технические алмазы, карбины, нанотрубки [1,2].

Примеры учета пространственной структуры веществ ярко

выражены в химических производствах Кемеровской области. В кладке коксовых печей употребляются два основных огнеупорных материала - шамот и динас. Шамотный кирпич выдерживает резкие изменения температур, вследствие чего употребляется для кладки верха коксовых печей, обмуровки печных дверей и т.п. Динас нельзя подвергать резким переменам температур - он на 98% состоит из диоксида кремния. Последний при температуре 575оС обратимо переходит из одной кристаллической формы в другую, при этом объем кристалла изменяется на 16%:

575ОС

а 8І02 ^ ? в 8І02

Изменение объёма приводит к разрушению кирпичной кладки, что недопустимо. Так в результате шахтерской забастовки летом 1989 г. Кемеровскому коксохимическому заводу грозила остановка в результате прекращения поставки углей. Специалистам завода долго пришлось рассказывать о свойствах динасовой кладки и убеждать о невозможности остановки печей: остановка батарей приводит к их полному разрушению. Убедили.

Надо отметить, что изучение и учёт свойств силикатных материалов позволило срок службы пековых печей увеличить в несколько раз, за что группа инженеров Кемеровского коксохимзавода в 1947 г. была удостоена Сталинских премий [3].

Такой же премии была удостоена в 1949 г. группа инженеров Кемеровского азотно-тукового завода (ПО «Химпром»), разработавших способ значительного повышения выпуска продукции, в том числе амми-

ачной селитры [4]. Последняя в интервале температур от 169оС до -50оС претерпевает 6 кристаллических модификаций: кубическая ^ тетрагональная ^ ромбическая моноклинная ^ ромбическая бипирамидальная ^ тетрагональная. Пространственные изменения нитрата аммония ведут к изменению удельной поверхности соли и взаимодействию её с парами воды воздуха. Следствием этого взаимодействия является сле-живаемость соли, превращение её в монолитное состояние, что затрудняет применение селитры в сельском хозяйстве и других производствах [5,6].

В наших исследованиях по получению специального кокса из угольной шихты с добавками оксида железа химический анализ показал наличие в коксе свободного железа, но какого? Свободное железо существует в четырех кристаллических состояниях - а, в, у и 5. На электронномикроскопическом снимке ясно обозначились кристаллы кубической формы, напоминавшие аБе. Рентгеноструктурный анализ окончательно убедил, что это и есть аБе - активное кристаллическое состояние благодаря высокоразвитой удельной поверхности [7]. Наличие в спецкоксе аБе позволило объяснить значительное повышение его реакционной способности и повышение производительности ферросплавной печи.

В современной органической химии имеется целое направление - стереохимия [8]. Здесь раскрываются важнейшие свойства веществ, например, изомеров. Приведем лишь один пример - бензопирены. Эти вещества представляют конденсированную ароматику из пяти

Химическая технология

75

колец. Важно отметить, что в зависимости от места присоединения к пирену одного бензольного кольца зависит канце-рогенность этого соединения -4,5 - бензопирен канцерогенными свойствами не обладает, в то время как 1,2 - бензопирен -один из наиболее сильных канцерогенов, содержащихся в каменноугольной смоле, табачном дыме, воздухе городов [9].

Пространственная архитектура в химической науке изучается всюду - это и электронная структура атомов, и химическая связь, и целые разделы химии, такие как кристаллохимия, химия координационных соединений, стереохимия. В этом отношении интерес представляет вода, благодаря образованию между её молекулами водородных связей, вследствие чего кристаллы воды в виде инея и снежинок образуют самые разнообразные формы, в основе которых подобно молекулам бензола лежат шестиугольные структуры: такие макроструктуры нам удалось наблюдать в тонком слое тающего льда.

Характерным примером зависимости свойств вещества от кристаллического состояния является дисульфид железа, пирит Бе82 - минерал, присутствующий в минеральной части углей. Само название этот минерал получил от способности подвергаться самовозгоранию.

На этом основана одна из первых теорий самовозгорания углей. В нашей коллекции в течение 40 лет хранятся образцы кускового пирита, которые не окисляются и не самосвозгора-ются. В кусковом пирите кристаллическая структура представлена кубической сингонией

- она устойчива по отношению к воде и кислороду: самовозгорание углей происходит от активной электронно-микроскопической формы пирита, представленной в виде сфер, объединенных в агрегаты типа ягод малины, диаметром около 5 мкм. Такие мельчайшие микросистемы имеют огромную удельную поверхность, что позволяет им активно вступать в реакции с кислородом, из-за чего угли могут самовозгораться.

Приведенного достаточно, чтобы убедиться в значении пространственной структуры, а при изучении химических наук в значении пространственного мышления для студентов, которое закладывается в курсе начертательной геометрии.

Кстати, кузбасские специалисты горного дела часто настаивают на «глубокой переработке угля», не вникая в сущность проблемы. Сегодня самая глубокая переработка угля - это производство кокса, где в камере коксования температура держится в пределах 900 -

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1000оС. На наш взгляд, необходимо развивать в Кемеровской области уже известные и освоенные промышленностью виды химической переработки - полукоксование и наземную газификацию. Однако, сама по себе напрашивается проблема более наукоёмких процессов, связанных с существенными структурно-пространственными изменениями веществ, в частности такие производства как получение активных углей, углеродных волокон, карборунда, технических алмазов.

Выводы:

1. Курс начертательной

геометрии, развивая у студентов пространственное мышление,

дает возможность для углубленного изучения строения и свойств вещества как пространственной системы.

2. Знание пространственной структуры вещества - путь к совершенствованию технологических процессов и созданию новых производств для получения веществ с заранее предполагаемыми свойствами.

3. В Кемеровской области в ближайшие 2 - 3 десятилетия возможна и необходима организация новых производств на основе переработки угля и достижений мировой науки в области кристаллохимии и стереохимии.

1. Рич В.И., Черненко М. Б. Неоконченная история искусственных алмазов. - М.: Наука, 1976. -136 с.

2. Крылов В. А., Вильк Ю. Н. Углеграфитовые материалы и их применение в химической промышленности. - М. - Л.: Химия, 1965. - 146 с.

3. Дыдевич В. М., Лебедев С. И., Щербаков М. Г. Кемеровский коксохимический. - Кемерово: Кем. книжное изд-во, 1984. - 222 с.

4. Кемеровский азотнотуковый. - Кемерово: Кем. книжное изд-во, 1968. - 98 с.

5. Технология аммиачной селитры / Ред. В. М. Олевский. - М.: Химия, 1978. - 311 с.

6. Исхаков Х.А. , Ванин А.Е. Возможность применения летучей золы в сельском хозяйстве / Химия и химическая технология: Сб. трудов КузПИ, №34. - Кемерово: Изд-во КузПИ, 1971. С.205 - 213.

7. Исхаков Х.А., Прилепская Л.Л. Восстановленное железо в спецкоксе // Химия твердого топлива. -1989. - № 5 . - С. 92 - 94.

8. Потапов В.М. Стереохимия. - М.: Химия, 1976. - 695 с.

9. Химическая энциклопедия. Т. 1. - М.: Совет. энциклопедия, 1988. - 623 с.

Авторы статьи:

Исхаков Хамза Ахметович

- докт.техн.наук, проф. каф. химии и технологии неорганических веществ

Кобылянский Михаил Трофимович

- докт.техн.наук, проф., зав. каф. начертательной геометрии и графики

Филипович Лариса Анатольевна

- ст. препод. КГСХИ.