CC BY
52И.И. Юсупова, Л.М. Мансураева, М.Р. Магомадов
ВКЛАД АКАДЕМИКА РЕБИНДЕРА П.А. В ФОРМИРОВАНИЕ НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПАВ
В настоящей статье показаны основные достижения гениального советского ученого академика П.А. Ребиндера в создание научного направления по исследованию поверхностно-активных веществ (ПАВ) -физико-химической механики дисперсных систем. Он проводил исследования в ряде важных направлений, включая поверхностные и межфазные явления, образование дисперсных систем, их стабильность и разрушение.
Ключевые слова: дисперсные системы, коллоидная химия, поверхностно-активные вещества, адсорбция, эффект Ребиндера, правило уравнивания полярностей.
Имя замечательного физикохимика и педагога, академика Петра Александровича Ребиндера по праву стоит в ряду выдающихся ученых XX века. Один из создателей современной науки о коллоидных системах и поверхностных явлениях, основоположник физико-химической механики твердого тела и дисперсных систем, П.А. Ребиндер оставил богатейшее научное наследие. Выдвинутые П.А. Ребиндером концепции о роли поверхностных явлений в дисперсных системах и влиянии ПАВ на свойства межфазных поверхностей, структурно-механическом барьере как факторе стабилизации коллоидных систем, механизмах структурообразования в дисперсных системах, открытие знаменитого эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел (эффект Ребиндера), на многие годы вперед определили направления развития коллоидной химии и физико-химической механики.
Начало 30-х годов XX века было время бурного развития науки о коллоидных системах, однако коллоидная химия, несмотря на значительное продвижение в отдельных направлениях, в целом представляла собой скорее эмпирическую, чем последовательную, базирующуюся на единых «первых принципах», науку. Лишь сформулированные П.А. Ребиндером представления об определяющей роли поверхностных явлений и адсорбционных слоев связали основные закономерности строения дисперсных систем и протекающих в них процессов в стройную систему. К этому времени относится и открытие П.А. Ребиндером эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел, фундаментальное значение которого для современной науки трудно переоценить. История открытия этого эффекта наилучшим образом характеризует научный стиль П.А. Ребиндера - оригинальность мышления, поразительную интуицию и смелость, разительную интуицию и смелость [1].
Выдающийся советский физико-химик академик П.А. Ребиндер был первым, кто попытался интенсифицировать процессы разрушения твердого тела. В 20-х годах ХХ века он использовал для этой цели поверхностно-активные вещества, которые эффективно адсорбируясь на поверхности твёрдых тел даже при низкой концентрации их в окружающей среде, резко снижали поверхностное натяжение твердых тел
[7].
Подобрав специальные жидкости и введя их на поверхность разрушаемого твердого тела, Ребиндер добился поразительного уменьшения работы разрушения при растяжении.
Открытый в 1928 г. Ребиндером П.А. эффект адсорбционного понижения прочности и сопротивления деформации твердых тел, получил впоследствии название «эффекта Ребиндера» [8].
Предложенное Ребиндером качественное объяснение наблюдавшегося в экспериментах сильного понижения прочности и твердости кристаллов состояло в «.. .ослаблении связей между поверхностными элементами решетки благодаря адсорбции поверхностно-активных молекул». В то время разрушение рассматривалось исключительно как механический разрыв связей в твердом теле под действием внешней нагрузки. Идея об участии в этом процессе поверхностно-активных компонентов внешней среды представлялась более, чем сомнительной. Сегодня хорошо известно, что адсорбционно-активные компоненты среды, принимая непосредственное участие в элементарных актах разрыва и перестройки межатомных связей в нагруженном твердом теле, могут существенным образом влиять на его механическое поведение.
© И.И. Юсупова, Л.М. Мансураева, М.Р. Магомадов, 2022.
Научный руководитель: Ахмадова Хава Хамидовна - доктор технических наук, профессор, Грозненский государственный нефтяной университет им. акад. М.Д. Миллионщикова, Россия.
Конечно, представления об эффекте Ребиндера сегодня много глубже и детальней, чем первоначально высказанная общая идея. Сегодня ясно, что понижение поверхностной энергии является лишь необходимым, но недостаточным условием понижения прочности и само по себе не приводит к охрупчиванию или пластификации твердого тела. Характер и уровень проявления эффекта в значительной степени обусловлены структурнокинетическими факторами и определяются механизмами коллективных атомных взаимодействий в системе «твердое тело-среда». Причина понижения прочности по Ребиндеру заключается в ослаблении взаимодействия атомов твердого тела при адсорбции на деформируемых связях (или в их окрестности) активных компонентов среды и, в конечном счете, в компенсации разрываемых связей. . Подобрав специальные жидкости и введя их на поверхность разрушаемого твердого тела, Ребиндер добился поразительного (на десятичные порядки) уменьшения работы разрушения. Именно этот эффект и был назван эффектом Ребиндера, или адсорбционным понижением прочности твердых тел [10]. «Эффект Ребиндера»
- универсальное явление, наблюдающееся при разрушении любых твердых тел [9].
Развитие новых областей в естественных и, особенно, в химических науках, как правило, проходит последовательные стадии накопления фактов, их систематизации, объяснения и построения обобщающей концепции или количественной теории. Чрезвычайно редко основополагающие новые концепции возникали вне рамок этой последовательности, на основе умозрительных соображений и гениальных догадок. Остается удивляться глубине мышления и поразительной интуиции П.А. Ребиндера, сумевшего увидеть столь общую и универсальную закономерность на совершенно неподготовленной почве, при практически полном отсутствии экспериментальных данных. Здесь в полной мере сказалась присущая Петру Александровичу способность выделить главные факторы в природе явления, «стереть случайные черты» и, в то же время, увидеть далекую перспективу частных результатов. Исследования адсорбционного понижения прочности в итоге привели к появлению новой области науки - физико-химической механики, основоположником которой по праву считается П.А. Ребиндер.
Научная деятельность П.А. Ребиндера охватывает множество проблем физикохимии поверхностных явлений и дисперсных систем. В круг его интересов входили исследования адсорбции из растворов поверхностно-активных веществ, явления смачивания и растекания, структурообразования и устойчивости дисперсных систем, разрушения и диспергирования твердых тел. Его исследования всегда сочетались с практической реализацией их результатов, а фундаментальные исследования стали научной основой совершенствования целого ряда технологических процессов - флотационного обогащения руд, бурения и измельчения пород, создания новых материалов, интенсификация добычи и переработки нефти, получения устойчивых дисперсных систем (эмульсий, пен, суспензий, растворов белков и мицеллярных растворов). Этот эффект наблюдается на самых разнообразных материалах - горных породах, стеклах, металлах. Среда, вызывающая понижение прочности, может быть газообразной и жидкой.
Исследования поверхностной активности ПАВ на границах раздела фаз в зависимости от их молекулярной природы являлось одним из основных направлений научной деятельности Ребиндера П.А. и его учеников в течение многих лет [3]. Систематические научные исследования в области поверхностных явлений были начаты Ребиндером П.А. еще в студенческие годы в период 1922-1924 гг. Первые научные работы Ребиндера П.А. в 1922 г. были посвящены исследованию поверхностного натяжения водных растворов ПАВ. В результате этих исследований было установлено строение и кинетика образования адсорбционных слоев ПАВ.
Ребиндер П.А. установил, что дсорбционный слой ПАВ может изменить характер поверхности. Ди-фильные молекулы ориентируются в поверхностном слое полярной группой в сторону более полярной фазы, неполярным радикалом - в сторону менее полярной, уменьшая тем самым разность полярностей двух фаз и поверхностную энергию. Эта закономерность получила название правила уравнивания полярностей, или правилом Ребиндера: адсорбция растворенного вещества на поверхности тем больше, чем больше разность в степени полярности между двумя фазами, например, твердым телом (адсорбентом) или газом и жидкостью. Из правила следует, что в случае большого химического сродства между растворителем и адсорбентом растворенное вещество будет плохо адсорбироваться на данном адсорбенте и, очевидно, адсорбция будет более значительна для тех веществ, величина полярности которых лежит между полярностью растворителя и адсорбента.
Согласно правилу уравнивания полярностей асимметричные молекулы ПАВ, находясь в поверхностном слое, ориентируются таким образом, что их гидрофильная группа обращена к воде, а гидрофобная
- к воздуху или к менее полярной фазе (рисунок 1)
Неполярный адсорбент Полярный адсорбент
Рис. 1. Ориентация молекул ПАВ при адсорбции
Формирование научного направления П.А. Ребиндера в области исследования поверхностного натяжения жидкостей и поверхностно -активных веществ сложилось за годы работы в Институте физики и биофизики Академии наук СССР в период 1922-1932 гг. [2]. Целью его основных исследований было изучение поверхностного натяжения жидкостей, поверхностно-активных веществ, формируемых ими адсорбционных слоев и многочисленных связанных с ними эффектов (смачивание, стабилизация эмульсий и пен, моющее действие и др.) [4].
Масштабы научной деятельности П.А. Ребиндера огромны. Для нее характерны широта и разнообразие в постановке задач исследования, стремление поставить науку на службу производству.
Исключительно велики заслуги П.А. Ребиндера в создании в СССР передовой научной школы ученых, активно работающих в современной коллоидной химии и физико-химической механике, а также в ряде отраслей техники. Главным достижением Петра Александровича является создание большого раздела физической химии - физико-химической механики, выросший из идеи о связи механических свойств твердых тел и дисперсных систем с поверхностными явлениями.
Научная деятельность П.А. Ребиндера характеризовалась широтой и разнообразием исследуемых задач, стремлением поставить науку на службу производству, и получила высокую оценку крупнейших ученых страны.
Ребиндеру П.А. принадлежит заслуга введения представления о термодинамической устойчивости коллоидных систем. Им предложен количественный критерий оценки межфазного поверхностного натяжения, ниже которого система термодинамически устойчива.
Петр Александрович внес огромный вклад в изучение структурообразования дисперсных систем [6]. Он предложил общепринятую в настоящее время классификацию дисперсных структур, согласно которой они делятся на коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные, объяснил различия в реологических свойствах этих структур и изучил механизм и кинетику их формирования. Были развиты общие представления реологии и предложены новые варианты методов экспериментального исследования.
С помощью добавок поверхностно-активных низко- и высокомолекулярных веществ были найдены способы упрочнения грунтов, а также интенсифицированы технологические процессы перемешивания, уплотнения и формирования сыпучих и пластичных тел.
Общеизвестно, что ПАВ используются во многих технологических процессах химической, нефтехимической, химико-фармацевтической, пищевой промышленности. Советским физик-химиком академиком П.А. Ребиндером была разработана общая теория действия поверхностно-активных веществ, впервые сформулированы принципы моющего действия ПАВ [12].
Разработанные акад. П. А. Ребиндером и его школой принципы моющего действия представляют собой комплекс сложных физико-химических процессов, связанных с целым рядом факторов, и могут быть представлены в виде трех основных стадий: 1. Смачивание водным раствором поверхностно -активных веществ поверхности загрязненного материала; 2. Удаление загрязнения с поверхности путем солю-билизации, эмульгирования, диспергирования, суспендирования и расклинивающего действия ПАВ на границе раздела поверхность — загрязнение— водный раствор ПАВ; 3. Удержание загрязнения в объеме моющего раствора и удаление его из моющей ванны в суспендированном, эмульгированном или в солю-билизированном состоянии.
Элементарные акты моющего действия подразделяют на два класса: обеспечивающие моющее действие и вспомогательные.
К первому классу относятсмачивание поверхности и вытеснение загрязнений, диспергирование, со-любилизацию загрязнения, стабилизацию раствора, защиту субстрата от повторного загрязнения, химическое разложение загрязнений.
Второй класс составляют пенообразование, связывание солей жёсткости, гидротропия, высаливание ПАВ, ингибирование коррозии, регулирование рН среды.
Рис. 2. Механизм моющего действия а — адсорбция молекул моющего вещества на частице; б — частица, перешедшая в моющий раствор
Петр Александрович Ребиндер внес основополагающий вклад в развитие коллоидной химии, физико-химической механики и естествознания. На его трудах учатся и будут учиться поколения молодых ученых, будут открываться все новые возможности для развития коллоидной химии и физико-химической механики.
Вклад П.А. Ребиндера в мировую науку трудно переоценить. Основанные им научные направления интенсивно развиваются и сегодня, у его учеников и на его трудах учатся новые поколения ученых. Памяти П.А. Ребиндера посвящаются международные конференции, проводятся давно ставшие традиционными Ребиндеровские чтения, ежегодно собирающие многочисленную аудиторию. И главным памятником выдающемуся ученому и замечательному человеку, Петру Александровичу Ребиндеру, являются новые достижения в развитии коллоидной химии и физико-химической механики.
Библиографический список:
1.Малкин А.И., Урьев Н.Б. Петр Александрович Ребиндер. История науки и техники. 2009№ 11. - С.48-53.
2.Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1966. - 128 с.
3.Волынский А.Л. Эффект Ребиндера в полимерах //Природа. - №11. -2006.
4.Щукин Е.Д. Механизмы действия ПАВ на различных межфазных границах. VII Международный Конгресс по ПАВ, секция В «Физическая химия межфазных слоев», часть 1. Москва. - 1976.- С. 16-53.
5.Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения. // Успехи физ. Наук. -1972.- № 3.-108.
6.Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. // Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. - С. 203.].
7.Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. М: Знание, 1961. - 46 с.
8.Поверхностно-активные вещества. Справочник / Под ред. А.А. Абрамзона, Г.М. Гаевой. М.: Химия, 1979. -
376 с.
9.Щукин Е.Д. Развитие учения П.А. Ребиндера о поверхностных явлениях в дисперсных системах // Известия АН СССР. Серия химическая. №10. -1990. 2424.
10.М1рз://уипс.о^/Поверхностно-активные вещества.
11.Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Развитие трещин в изгибаемой цинковой пластине при локальном нанесении жидкого поверхностно-активного металла (ртути) // Докл. АН СССР. - 1961.-№136.- 1392.
ЮСУПОВА ИМАН ИМРАНОВНА - магистрант, Грозненский государственный нефтяной университет имени акад. М.Д. Миллионщикова, Грозный, Россия.
МАНСУРАЕВА ЛИНДА МАГОМЕДОВНА - магистрант, Грозненский государственный нефтяной университет имени акад. М.Д. Миллионщикова, Грозный, Россия.Россия.
МАГОМАДОВ МАГОМЕД РУСЛАНОВИЧ - студент, Грозненский государственный нефтяной университет имени акад. М.Д. Миллионщикова, Грозный, Россия.Россия.
