КИСЛОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ
Академик М.М. ШУЛЬЦ, доктор химических наук В.Г. КОНАКОВ, Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
Развитие химического производства невозможно без непрерывного контроля параметров, отражающих полноту и характер протекающих при этом реакций. Если столетие назад такими величинами были время, температура и давление, то теперь все большее значение приобретают показатели, позволяющие судить о составе и химической структуре исходного, промежуточного и конечного продуктов.
"ы-эт-ю-
Ю-
ать
[ри Ш
эи-
эд-
ми
Входе технологических процессов постоянному мониторингу подвергают множество физико-химических свойств участвующих в них веществ. Для водных растворов наиболее распространенным является показатель рН, характеризующий активность ионов водорода. В нейтральных растворах рН~7, в кислых — меньше этого значения, в щелочных — больше. Данный параметр используют в таких областях, как научная и технологическая химия, биология, медицина, криминалистика, пищевая промышленность. Он прочно вошел в нашу повседневную жизнь.
Дш высокотемпературных же химических производств первостепенное значение имеет определение кислотно-основных свойств оксидных расплавов в плане понимания происходящих в них физико-химических процессов, прогнозирования направленности последних и получения материалов с заданными свой-
ствами. Этот вопрос важен, в частности, для стекловарения (спекание шихты, варка и отливка стекла, взаимодействие стеклообразующего расплава с внутренней облицовкой печи), металлургии (широкий набор равновесий между металлом, шлаком и реакционной атмосферой — декарбокс ил и рован ие, десул ьфури-зация, дефосфоризация и др., взаимодействие ишака с огнеупорными материалами технологических агрегатов), производства цемента (наблюдение за газовой атмосферой, лабораторный контроль основности).
Однако в отличие от водных растворов для оксидных расплавов до наших дней нет общей концепции, позволяющей трактовать происходящие в них химические взаимодействия с точки зрения кислотно-основной теории. Кстати, похожая ситуация существовала в начале XX в. в отношении водных растворов. Тогда развитие промышленности поставило задачу создать методы непрерыв-
ного наблюдения за прохождением химических процессов в температурном интервале существования этих веществ. Ее решение привело к тому, что в международном масштабе приняли шкалу показателей рН и разработали аппаратурную базу для их контроля.
Тем не менее непосредственное использование результатов, полученных для водных растворов, в отношении оксидных расплавов невозможно, поскольку последние имеют немало принципиальных отличий (низкая диэлектрическая проницаемость, высокая вязкость, широкий диапазон температурного существования и др.). В то же время опыт, накопленный в процессе определения и нормирования показателей рН, — разработки принципов построения шкалы, методов введения стандартов и выявления соответствующего состояния, развития кислотно-основной концепции и т.д., позволяет надеяться на успеш-
Шкала основности оксидов и структурно-химических группировок для температуры 950°С: а — бораты; Ь — германаты; с — силикаты; 1дК4 — константа диссоциации с отрывом иона кислорода.
ное решение аналогичной проблемы и для оксидных расплавов.
II качестве носителя их кислотно-основных свойств может служить параметр рО, или так называемый кислородный показатель, поскольку он связан с активностью ионов кислорода. В черной и цветной металлургии она определяет равновесие между металлом и шлаком, в физической химии стекла влияет на полимеризацию и деполимеризацию структуры стеклообразных материалов, образование в сетке стекла элемент-кисло-родных группировок, окислительно-восстановительное равновесие и т.д. Кроме того, эффективность процессов производства металлов, стекла и цемента в значительной степени зависит от устойчивости огнеупоров в промышленных агрегатах к воздействию оксидных расплавов. И немалую роль здесь играют различия кислотно-основных свойств тех и других.
Таким образом, одна из главных проблем высокотемпературной физической химии — создание и развитие общетеоретических представлений о свойствах оксидных расплавов в терминах кислот и оснований. А для практической деятельности важно количественное определение их кислотно-основных характеристик.
К описанию происходящих взаимодействий существуют разные подходы. Их анализ позволил нам пред-ложить обобщенную теорию, в основе которой лежит принцип диссоци-
ации. Иными словами, предполагается, что любое вещество в жидком состоянии может испытывать процессы диссоциации — отщепление положительных или отрицательных ионов. Оксидные же расплавы рассматриваются как жидкости, в ходе кислотно-основных превращений отщепляющие или присоединяющие ионы кислорода с двумя отрицательными зарядами. А поскольку кислород присутствует во всех оксидных расплавах, то, стало быть, этот подход применим к описанию кислотно-основных свойств их всех.
Для создания шкалы значений рО необходимо было выбрать стандартное состояние. В качестве такового мы предложили соответствующее чистому кремнезему, ибо его структура и физико-химические свойства наиболее подробно изучены, и большинство промышленных стекол, металлургических шлаков, природных минералов и оксидных покрытий имеют силикатную основу.
Следующим шагом стало опытное определение показателей рО других оксидных материалов, а также моделирование экспериментальных результатов. Оказалось, наибольшую практическую значимость имеют бинарные силикатные стекла и расплавы, содержащие оксиды лития, натрия и калия, так как они являются базовыми составляющими для многих промышленных и специальных стекол. Интерес представляют
также германагные и боратные расплавы в связи с большей кислотностью (по сравнению с кремнеземом) в таких системах оксида-стеклообра-зователя.
Особое место среди исследованных расплавов занимают системы №20-В20Г8Ю2. Их отличительная черта заключается в том, что в слабо взаимодействующую смесь двух типичных кислых оксидов-стеклооб-разователей внесено основание — оксид натрия. Благодаря этому в системе начинается конкуренция за п ре и му ществе н н ое вза и м оде йстви е с последним. Причем ее характер обусловливается соотношением кислотно-основных свойств именно сте клообразовател е й.
Итогом проведенного исследования стала экспериментальная шкала основности структурно-химических фуппировок и оксидов. Физико-химические аспекты ее проработаны достаточно полно, что позволяет перейти к дальнейшему этапу — государственной стандартизации измерения показателя рО. Внедрение его мониторинга в таких областях, как черная и цветная металлургия, стекловарение и в определенной степени производство цемента, позволит сделать технологический прорыв, сравнимый с эффектом введения шкалы рН для водных растворов.
Иллюстрация предоставлена авторами
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.