- IN MEMORIAM -
Юрий Яковлевич Фиалков
«Растворитель как средство управления
химическим процессом»
Растворитель как средство управления химическим процессом

Описано влияние растворителя на основные типы равновесных и транспортных процессов в растворах, а также на их термодинамические характеристики. Рассматриваются принципы направленного подбора растворителя для управления выходом продуктов, равновесием химических процессов, силой электролитов и электропроводимостью растворов.

Для химиков-исследователей, технологов и инженеров, изучающих и осуществляющих технологические процессы в растворах. Полезна преподавателям, аспирантам и студентам ВУЗов.

Полный текст — в разделе «книги»
* * *

ВВЕДЕНИЕ

Направленное воздействие на химическую систему — управление выходом продуктов и скоростью химического процесса — относится к числу важнейших задач, которые стоят перед экспериментатором и технологом. Однако набор методов управления химическими процессами удивительно мал, особенно в сравнении с числом реакций и соединений, известных современной химии.

Даже наиболее общий метод управления — термическое воздействие на химическую систему — имеет ограничения, обусловленные температурным интервалом устойчивости и фазовым состоянием участников химического процесса. Изменение давления (если только речь не идет о весьма высоких значениях) является действенным способом управления процессом лишь в тех системах, где по крайней мере один из компонентов — газ либо пар. Электролиз, как очевидно, может служить методом управления лишь в электролитных (токопроводящих) системах, относительное число которых не столь уж велико. Все остальные способы воздействия на химическую систему (радиационные, механические, акустические и т.п.) вне зависимости от степени их действенности носят частный характер и уже хотя бы поэтому не могут быть возведены в ранг методов управления химическим процессом.

Вот почему добавление к перечисленному, как видим, весьма ограниченному арсеналу методов еще одного представляет для химии и химической технологии принципиальный интерес. Таким методом является влияние растворителя, влияние, различным аспектам которого посвящена предлагаемая вниманию читателя книга.

Роль и общее значение этого метода обусловлены рядом обстоятельств. Первое из них — общеизвестный факт: подавляющее большинство процессов, известных современной химии — примерно 199 из каждых двухсот — протекает в жидкой фазе, в растворах, реже — в расплавах. Интенсивное развитие химии растворов за последние десятилетия позволило выдвинуть и обосновать многообразные теоретические и экспериментальные аспекты участия растворителя, которое заключается в том, что растворитель в химической системе является одновременно средой и химическим агентом. Эти обобщения позволяют предложить основанные на ряде положений современной химии растворов методы управления различными химическими и физико-химическими процессами в растворах.

Становление теории относится к необходимым, но еще далеко не достаточным условиям внедрения ее разработок в практику. Более того, даже потребности последней не всегда могут служить решающим аргументом в развитии прикладных разработок. В рассматриваемой области химии такими достаточными условиями явились существенное расширение круга и облегчение доступности неводных растворителей. И еще одно, быть может, самое главное: исследователями и работниками промышленности в значительной степени преодолен психологический барьер, связанный со своеобразием и необычностью неводных растворов по сравнению с водными.

Книга адресована широкому кругу химиков, что обусловило сокращенное, а в ряде случаев и упрощенное изложение ряда теоретических вопросов по сравнению с тем, как если бы книга предназначалась лишь специалистам в области теории растворов. Впрочем, автор выражает надежду, что и им книга представится небезынтересной.

Предполагаемая читательская аудитория и круг интересов автора обуславливают также и то, что проблема, которой посвящена книга, рассматривается преимущественно в „химическом” аспекте — физика введена в текст в той мере, в какой она способствует раскрытию этого аспекта.

Автор считает необходимым предупредить возможный упрек в повышенном удельном весе цитируемых в тексте его монографических и журнальных публикаций. В меньшей степени это связано с многолетним интересом автора к проблеме, составляющей предмет книги, в гораздо большей степени — с тем, что примеры, призванные иллюстрировать различные аспекты применения растворителя как средства управления химическими процессами и физико-химическими характеристиками системы, автор часто заимствовал из своих работ не потому, разумеется, что считает их образцовыми, а просто будучи знакомым с ними более интимно, чем с работами других авторов — обстоятельство сколь понятное, столь и уважительное.

Из проблем влияния растворителя на характеристики химических и физико-химических процессов в растворах в этой книге рассмотрены две основных — влияние растворителя на химическое равновесие (т.е. на выход продуктов и термодинамические характеристики реакции), а также на процессы переноса. Влияние растворителя на кинетические характеристики химических процессов не рассматривается, так как этому вопросу в отечественной и зарубежной литературе посвящено сравнительно большое число обстоятельных монографий [321, 157, 7, 399]. (Несомненно интересно было бы проанализировать причины столь неравномерного во времени развития одинаковых по актуальности проблем, но подобный анализ, сколь бы поучителен он ни был, стоит в стороне от основной задачи этой книги.)

Несколько замечаний организационного плана. Книгу заключает приложение, где приводятся основные физико-химические свойства растворителей, наиболее распространенных в исследовательской и технологической практике. Константы равновесия, если это не оговорено особо, приводятся в молярной шкале. Библиографические ссылки в тексте расположены либо в хронологическом порядке, либо по степени широты охвата рассматриваемого вопроса. Отсутствие авторского указателя в известной мере компенсирует перечень цитируемой литературы, составленный в алфавитном порядке.

Два с половиной века назад удачливый врач, превосходный ботаник и выдающийся химик Герман Бургаве в едва ли не самом значительном сочинении периода, предшествовавшего эпохе Ломоносова — Лавуазье, — двухтомном трактате „Начала химии” (1732) писал: „Химики предпочитают всем другим средствам растворитель и горделиво утверждают, что при его содействии могут свершать все чудеса своего искусства”.

Автору очень хотелось, чтобы прочитавшие эту книгу согласились с тем, что для подобного утверждения у нынешнего поколения химиков имеется не меньше оснований, чем у естествоиспытателей времен знаменитого голландца.

* * *

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материал, приведенный в книге, позволяет надеяться, что выданный во введении вексель оплачен: на примере всех основных типов процессов в растворах показано, что растворитель может служить фактором, влияющим на положение химического равновесия и, следовательно, на выход продуктов реакции. Фактор этот, как доказывают многочисленные примеры, в высшей степени действенный и избирательный. Автор полагает, что эти определения объективны и справедливы.

Если же вспомнить, что растворитель оказывает существенное влияние и на скорость химической реакции (проблема, которая — отметим это еще раз — составив предмет немалого числа обстоятельных монографий, в этой книге не рассматривалась), то логично и естественно обосновывается вывод, что подбор растворителя может и должен быть признан одним из немногих способов уверенно направленного управления химическим процессом.

Подчеркнем, что не только не редки, но, напротив, весьма распространены случаи, когда растворитель оказывается едва ли не единственным средством изменить положение химического равновесия; приведенные в книге многочисленные примеры, иллюстрирующие малую эффективность эндо- и экзотермического воздействия ни систему, не только исключительны и экстравагантны, но, пожалуй, и не самые выразительные.

Выделяя самое главное в проблеме влияния растворителя а химический процесс, отметим, что химик, стремящийся к управлению реакцией, имеет возможность играть на двух струнах: донорности (акцепторности) растворителя и на его полярности (диэлектрической проницаемости). Не приходится говорить, что ни одна из этих струн не является аккомпанирующей, ибо первая определяет звучание специфической, а вторая — универсальной сольватации. Применение же смешанных растворителей позволяет сделать игру на этих струнах выразительной, а подчас и виртуозной.

Возможно часть читателей решит, что чрезмерное внимание уделено термодинамической характеристике процессов в растворах, в частности делению этих характеристик на составляющие. Однако без такого деления невозможно определить соотносительный вклад каждого из типов сольватации в энергетику химического процесса и, стало быть, невозможно осуществить направленное влияние на систему.

Было бы самонадеянным ожидать, что читатели не обнаружат в книге недостатков. Ссылка на то, что книга первый в литературе по растворам опыт обобщения теории и эксперимента по теме, вынесенной в ее название, может служить разве только не очень убедительным объяснением, но никак не оправданием этих недостатков. Некоторые из них очевидны и автору.

Так, трудно будет отвести упрек в известном „неводном шовинизме". В самом деле, вода — столь же равноправный растворитель, как и любой другой, неводный. Однако в большинстве случаев вода не охватывается приводимыми в книге закономерностями и обобщениями. И все же, оправдываясь, замечу: законы протекания химических процессов в воде познаны много лучше, чем в случае неводных растворов, настолько лучше, что химия, известная значительной части химиков, не говоря уже о неспециалистах, есть по сути химия процессов в воде. К тому же вода вследствие необычности большей части ее физико-химических свойств выпадает, пожалуй, из всех закономерностей, которыми описываются растворители неводные. Признать ли эту аргументацию уважительной, зависит от суда читателей — суда, с которым автор заранее соглашается.

Конечно же, больше внимания следовало уделить водно-неводным средам, весьма популярным нынче в исследовательской практике (особенно в препаративной и аналитической) и в различных областях техники и промышленности. Здесь можно назвать процессы крашения в текстильной промышленности, а также процессы электрохимической обработки материалов в прецизионном машиностроении. Однако не менее интенсивно развиваются области техники, основанные на применении чисто неводных растворителей, к тому же тщательно обезвоженных — вспомним гальванические батареи и аккумуляторы с анодами из щелочных либо щелочноземельных металлов.

Подозреваю, что читатель-технолог остался недоволен, не обнаружив здесь специальной части: рецептурных рекомендаций по управлению конкретными технологическими процессами с помощью растворителя. Но необходимо принять во внимание, что введение такого материала увеличило бы объем книги сверх пределов допустимого. Впрочем, актуальность подобной информации несомненна, и остается пожелать, чтобы она в обозримом будущем пришла к читателю в виде отдельной книги.

Если эта книга оказалась Вам хотя бы в чем-то полезной, автор будет весьма обрадован — за себя, а еще больше за химию неводных растворов. Спасибо.

* * *
Непроверенный текст книги, полученный с помощью системы оптического распознавания символов (OCR)