научная статья по теме КИСЛОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ Науковедение

Текст научной статьи на тему «КИСЛОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ»

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.

Показать целиком