CC BY
12
УДК 544+54.01
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ
И. В. Герасимов1, Д. И. Цыпленкова1, М. Н. Бажутов1, В. П. Жереб1' 2
1Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: asteralin@gmail.com
Показано, что современный уровень понимания закономерностей связи состав - структура - свойства допускает их расширение и детализацию для широкого круга веществ и материалов различной природы на основе как равновесной термодинамики, так и термодинамики «вблизи» и «вдали» равновесия.
Ключевые слова: физико-химический анализ, состав-структура-свойства, основы материаловедения.
TECHNOLOGICAL FACTORS IN PHYSICAL-CHEMICAL ANALYSIS
I. V. Gerasimov1, D. I. Tsyplenkova1, M. N. Bazhutov1, V. P. Zhereb1, 2
1Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: asteralin@gmail.com
It is shown that the modern level of understanding of the relationships between composition -structure - properties allows their expansion and detailing for a wide range of substances and materials of various nature on the basis of both equilibrium thermodynamics and thermodynamics "near" and "far"from equilibrium.
Keywords: physic-chemical analysis, composition-structure-properties, fundamentals of materials science.
Введение. Физико-химический анализ (ФХА), созданный академиком Н. С. Курнаковым [1-3], является разделом общей химии (физикохимии), который занимается поиском закономерностей в соотношениях между составом и свойствами равновесных систем, а результатом является построение графического образа этих закономерностей - фазовых диаграмм, или диаграмм «состав - свойство». К 60-м годам прошлого века предложенная Н. С. Курнаковым в самом общем виде последовательность превратилась в триаду «состав-структура-свойства» (см. рисунок, а). Поскольку материал отличается от просто вещества своей востребованностью человечеством, то, очевидно, что явно представленная закономерность взаимосвязи «состав-структура-свойство» является теоретической основой материаловедения. Эта закономерность, выраженная в наиболее общей форме, позволяет получать материалы с наперед заданными свойствами. По-видимому, впервые эта задача, правда в «обратной» форме, была успешно решена Архимедом в 240 г. до н. э. в Древней Греции [3].
Являясь теоретической основой материаловедения, ФХА в 70-е годы ХХ века получил развитие в работах школы выдающегося советского физико-химика академика И. В. Тананаева, в которых указанная триада была дополнена новым элементом - дисперсностью, превратившись в четырехчленную последовательность: «состав-структура-дисперсность-свойства», предвосхи-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 2
тив, тем самым, важнейшую роль размерности (масштаба) частиц, образующих материал, в формировании его свойств.
Свойства
Технология
Состав --—« - ^ Свойства
Состав Структура Структура
а б
Схемы взаимосвязи факторов физико-химического анализа
Методологические принципы физико-химического анализа - принцип соответствия и принцип непрерывности - сформулированы Н. С. Курнаковым [1].
Принцип соответствия. Согласно этому принципу, каждому комплексу сосуществующих фаз в физико-химической системе отвечает вполне определенный геометрический образ на диаграмме состояния.
Принцип непрерывности. Согласно этому принципу, при непрерывном изменении параметров, определяющих состояние системы, свойства отдельных фаз изменяются непрерывно. Так, при непрерывном изменении состава твердых или жидких растворов их свойства (например, удельная электропроводность, вязкость, температура плавления и др.) изменяются непрерывно.
В 70-х гг. ХХ в. профессором Я. Г. Горощенко [4] был сформулирован третий принцип физико-химического анализа - принцип совместимости: любой набор компонентов, независимо от их числа и физико-химических свойств, может составить физико-химическую систему. Одним из следствий принципа совместимости является утверждение, что фазовые диаграммы как геометрические образы фазового пространства могут быть эффективным средством исследования закономерностей фазовых состояний в системах любой природы.
Для определения характера взаимодействия веществ в физико-химическом анализе проводятся исследования различных физических свойств, чувствительных к изменению состава системы. К таким свойствам относятся температура плавления, теплоемкость, теплота образования, электропроводность, ЭДС, показатель преломления, спектры поглощения, плотность, коэффициент теплового расширения, твердость, вязкость, поверхностное натяжение, магнитная восприимчивость и т. п.
Впервые, по-видимому, на необходимость учета влияния технологических факторов в ФХА соединений переменного состава указал Б. Ф. Ормонт в [5]. Предлагалось в указанную выше триаду ФХА «состав-структура-свойства» ввести дополнительный элемент - «способ получения», в значительной степени определяющий так называемую «реальную» структуру материала. Однако предложения Б. Ф. Ормонта не получило признания в кругах отечественных специалистов ФХА, но вошло в практику преподавания основ ФХА за рубежом, в частности, в США (см. рисунок, б).
Цель работы - рассмотреть условия, при которых технологические факторы могут быть учтены в формировании закономерностей ФХА.
Проблема введения в указанную последовательность новых факторов, состоит в том, что они должны: 1) количественно определяться и однозначно рассчитываться через функции состояния термодинамической системы; 2) относится к стабильному или метастабильным состояниям равновесия. Понятие «способ получения», очевидно, не удовлетворяет этим требованиям, поэтому более продуктивным, на наш взгляд, для ФХА является направление его развития, относящееся к области неравновесной термодинамики, в которой выделяются состояния «вблизи» и
«вдали» от равновесия [6; 7]. При удалении термодинамической системы от равновесия под влиянием внешнего управляющего воздействия вблизи равновесия в ней наблюдается пропорциональное возрастание энергии Гиббса (область Онзагера). Вдали от равновесия в системе происходит формирование диссипативных структур под влиянием энергии внешнего воздействия (область Пригожина). Именно этот процесс следует связывать с технологическими факторами, обеспечивающими формирование вполне определенного набора потребительских свойств материала, При этом, как было показано в [8], диссипативные структуры могут рассматриваться как особого рода фазы.
Выводы. Развитие ФХА следует осуществлять, опираясь на сложившиеся в нем традиции количественного описания закономерностей «состав-структура-свойства» на основе современных представлений как равновесной, так и неравновесной термодинамики. Учет влияния технологических факторов возможен через количественную связь между степенью удаленности от состояния равновесия и формируемыми свойствами материала.
Библиографические ссылки
1. Курнаков Н. С. Введение в физико-химический анализ. М.-Л. : Из-во АН СССР. 1940.
563 с.
2. Уразов Г. Г. Академик Н. С. Курнаков - создатель физико-химического анализа. М. : Знание, 1952. 26 с.
3. Соловьев Ю. И. Очерки истории физико-химического анализа. М., 1955. 223 с.
4. Горощенко Я. Г. Физико-химический анализ гомогенных и гетерогенных систем. Киев : Наук. думка, 1978. 490 с.
5. Ормонт Б. Ф. Современное содержание стехиометрических законов // Соединения переменного состава / ред. Б. Ф. Ормонт. Л. : Химия, 1969. С. 10-174.
6. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М. : Мир, 2002. 461 с.
7. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М. : Мир, 1979.
512 с.
8. Елисеев Э. Н. Неравновесная кристаллография // Методологические проблемы кристаллографии / под ред. Н. В. Белова, Б. К. Вайнштейна, Э. Н. Елисеева. М. : Наука, 1985. С. 190-232.
© Герасимов И. В., Цыпленкова Д. И., Бажутов М. Н., Жереб В. П., 2018
