30 5

105 лет назад в руках химиков, металлургов и минералогов появился новый инструмент для исследований – физико-химический анализ, или сокращённо ФХА. Многие из нас им пользуются даже в быту, сами того не подозревая. Например, мы сталкиваемся с ФХА, когда по положению поплавкового спиртометра определяем крепость домашнего напитка или тем же методом контролируем содержание кислоты в электролите автомобильного аккумулятора. Но наиболее важен физико-химический анализ для профессиональных исследователей.

Что такое физико-химический анализ и какую роль в развитии ФХА сыграли специалисты базовой организации нашей отрасли в области материаловедения – ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, «Вестнику Атомпрома» рассказал главный эксперт АО «ВНИИНМ» Александр Семёнов.

Александр Александрович, что же такое физико-химический анализ с точки зрения учёного, рассказывающего доступным языком? 

31 5Долгое время химики ограничивали свои исследования препаративным, разрушающим анализом, после которого объект исследования переставал существовать. На этом построена классическая аналитическая химия: нужно сначала вскрыть, сжечь или хотя бы растворить, а потом уже определять, что исследуемый объект из себя представляет. При этом никак не удавалось определить малоустойчивые химические соединения, например те, которые существуют только в растворе. Представьте, что зоолог будет убивать каждое животное, которое захочет исследовать. Что из этого получится? Не стоит винить за это химиков 18–19 веков, у них не было на тот момент другой возможности, так складывалась парадигма исследований того времени. С другой стороны, их современники физики могли себе позволить исследовать процессы «вживую», не прерывая и не нарушая их хода. Но идея применить физические методы для исследования химических объектов долгое время не могла сформироваться. Постепенно учёные разных стран стали использовать в своей работе графики, измерять плотности, вязкости, но при этом химиков больше интересовали чистые вещества с постоянным составом, а такие важные объекты, как растворы, шлаки и сплавы, исследователи сознательно обходили вниманием, так как в этих случаях постоянства составов не было.

По мере развития термодинамики учёные всё ближе подходили к слиянию физики и химии, а когда выдающийся американский ученый Джозиа Виллард Гиббс ввёл в науку понятие фаз и компонентов и установил своё знаменитое правило фаз, то наступление эры ФХА стало неизбежным. И вот в 1913 году наш выдающийся соотечественник Николай Семёнович Курнаков в соавторстве со своим учеником Сергеем Федоровичем Жемчужным опубликовали статью «Давление истечения и твёрдость пластических тел», выдвинув революционный тезис. Он заключался в том, что любое физическое свойство системы является функцией состава, а для изучения фазового состояния и обнаружения новых химических соединений можно использовать плотность, твёрдость, электропроводность, вязкость и другие физические свойства. В этой статье впервые был употреблён позднее ставший общепринятым термин «физико-химический анализ», который был определён как «…геометрический метод исследования химических превращений…». 

Но почему вы придаёте такое значение, в общем-то, не круглой дате?

Дело в том, что столетний юбилей ФХА наша отечественная наука позорно прозевала. Я специально искал сообщения по этому поводу в журналах и других изданиях за 2013 год и ничего не нашёл. Это весьма досадно, потому что этот юбилей связан с бесспорными научными достижениями наших соотечественников, в первую очередь Николая Курнакова. Тревожный в общем-то сигнал: в вечном поиске финансирования для своих проектов и в борьбе за гранты наши учёные теряют традиции и связь с предшественниками, которым мы обязаны за всё то, на чём стоит современная наука. Я и сам вспомнил про юбилейную дату случайно – готовил публикацию, в которой упоминался ФХА, и обратил на этот факт внимание. Это была статья «Многогранный пентатоп», которая вышла в майском номере журнала «Наука и жизнь». В ней рассматривается четырёхмерная фигура, которую используют физикохимики при анализе многокомпонентных систем.

Нельзя ли об этом поподробнее? Что это за четырёхмерная фигура? Я вас заинтриговал, правда?

Согласен, есть чему удивляться. В этой научно-популярной статье употребляются такие термины, как четырёхмерная геометрия, параллельные пространства, трёхмерные проекции четырёхмерных фигур.

32 5Уж не эзотерика ли? Не по заказу скандального телеканала писали эту статью?

Ну что вы, не обижайте. Правда, не вам одному в голову приходит подобная мысль. К сожалению, тема четырёхмерной геометрии ещё в 19 веке пострадала от эзотериков и спиритистов, которые часто спекулировали подобными терминами. В какой-то момент серьёзные учёные стали избегать работ на эту тему, чтобы не смешаться с толпой мошенников и шарлатанов.

Но к чему всё это? Как это связано с вашей любимой темой ФХА?

Самым прямым образом. Четырёхмерная фигура пентатоп необходима исследователям как геометрическая модель состава пятикомпонентных систем. Представьте, что нам нужно геометрически изобразить смесь двух компонентов. Здесь нет ничего сложного: берём отрезок, каждый конец которого будет соответствовать чистому компоненту, а всё, что между ними, будет соответствовать их смесям. Каждая точка отрезка будет в этом случае отнесена с одним и только одним значением концентрации первого компонента в смеси со вторым.

Трёхкомпонентные смеси требуют для однозначного представления состава уже двумерной фигуры – треугольника, вершины которого будут соответствовать чистым компонентам, рёбра – трём бинарным смесям, а центр треугольника будет соответствовать смеси, где всех трёх компонентов поровну. По той же логике смесь четырёх компонентов требует для своего описания тетраэдра состава – трёхмерной фигуры. А геометрический образ пятикомпонентной системы требует фигуры с пятью равноудалёнными вершинами. И эта фигура представляет собой пентатоп.

Всё, что вы говорите, кажется понятным. Непонятно, как вы всё это могли представить и изучить. Для этого нужны какие-то особенные способности? Для выхода в четырёхмерное пространство, про которое вы говорите…

Что вы! Я же сказал – никакой эзотерики.Всё сложно только на первый взгляд.Ничего сложнее курса геометрии старших классов средней школы и обычного, трёхмерного пространственного воображения. Для расчёта координат фигуры используется известная всем теорема Пифагора: квадрат длины отрезка равен сумме квадратов его проекций. Только координат не две и не три, как мы привыкли, а четыре. Чтобы представить трёхмерную фигуру на плоскости, используют её проекции, развёртки и сечения. Так делаем и мы, только проекции, развёртки и сечения у нас получаются трёхмерными. Любопытно, что,когда я рассылал свой материал друзьям на ознакомление, оказалось, что их дети, старшеклассники и студенты, гораздо легче и быстрее могут себе представить четырёхмерную геометрию, даже если никогда с ней раньше не сталкивались. Значит, всё дело не в уме и одарённости, а в стереотипах трёхмерного мира, от которых с возрастом всё труднее оторваться.

Да, это красиво. Но с трудом верится, что такая сложная абстракция может найти применение в нашей атомной отрасли.

Чтобы погасить ваш скепсис, я заранее подготовил схему, в которой привёл пятикомпонентную смесь, практически важную для нашей отрасли, а рядом поместил модель пентатопа, которую склеил на досуге, иллюстрируя статью в журнале «Наука и жизнь». Это пятикомпонентная система, характеризующая циркониевый сплав Э635, применяемый в атомной энергетике и разработанный специалистами нашего предприятия, учениками академи- ка Андрея Анатольевича Бочвара.

33 5Да, вот и практическое применение. И что же, у вас во ВНИИНМ пользуются такими моделями?

Насколько я знаю, нет. Это всё-таки довольно сложно, и если есть возможность, то стараются обходиться более простыми моделями, например треугольными диаграммами. К тому же, как в примере с циркониевым сплавом, содержание легирующих элементов, как правило, невелико по сравнению с основным компонентом, в данном случае цирконием. В таких случаях можно упростить модель, и это будет правильно.

Но зачем тогда всё это, если без этого можно обойтись?

Не забывайте, что ФХА – это не только инструмент металлургов – специалистов ВНИИНМ. Им пользуются и геологи, и фармацевты, а главное химики всевозможных направлений. И если в МИТХТ им. М.В. Ломоносова моя родная кафедра химии и технологии редких и рассеянных элементов имени К.А. Большакова (ХиТРРЭ), активно занимаясь ФХА, пентатопом не пользуется, то для студентов и сотрудников кафедры химии и технологии основного органического синтеза (ХТООС) пентатоп – рабочая лошадка, без которой им обойтись никак нельзя. Современный уровень вычислительной техники позволяет даже исследователям, специализирующимся на анализе диаграмм состояния многокомпонентных систем, не вдаваться так глубоко в четырёхмерную геометрию. Достаточно правильно составить алгоритм расчётов и задать компьютеру программу вычислений, смоделировать формулами то, что не удаётся постичь пространственным воображением. Но, как вы понимаете, ориентируясь в четырёхмерном пространстве, проще составить нужный алгоритм вычислений. И, кроме того, всё это просто красиво и интересно. Не забывайте, многое в науке родилось из стремления человека к познанию и абстрактной красоте и лишь потом нашло практическое применение.

Мне кажется, что мы слишком много говорим про пентатоп. Давайте вернёмся к вопросам, касающимся нашей отрасли.

35 5С превеликим удовольствием. Мне приятно осознавать, что наш ВНИИНМ носит имя выдающегося учёного-материаловеда, дважды Героя Социалистического Труда, лауреата Ленинской премии академика А.А. Бочвара, который внёс существенный вклад в развитие атомной науки и техники, а в частности, и физико-химического анализа. Он создал теорию эвтектической кристаллизации, заложил основы структурной теории жаропрочности сплавов. Он предложил приём для оценки температуры начала рекристаллизации металлов, который так и называется «правило Бочвара». Он открыл и исследовал явление сверхпластичности сплавов. 

На нашем предприятии под его научным руководством впервые в СССР получен металлический плутоний, разработаны плутониевые сплавы для изделий специального назначения и технология изготовления первого ядерного заряда в рамках «Атомного проекта» СССР. Силумин  сплав алюминия и кремния, одним из авторов которого является А.А. Бочвар, сыграл важную роль в Великой Отечественной войне как материал для изготовления самолётов и деталей танковых двигателей. И всё это неразрывно связано с физико-химическим анализом, 105-летие которого мы отмечаем. И в этой связи я бы очень хотел поздравить с недавним 90-летним юбилеем Антонину Васильевну Никулину, которая до сих пор преподаёт и работает во ВНИИНМ. Она выдающийся учёный-металлург, разработала линейку циркониевых сплавов, в том числе и Э635, который мы упоминали выше. Хочу выразить признательность первому заместителю генерального директора по оборонной тематике Владиславу Константиновичу Орлову, который долгое время учился у А.А. Бочвара и работал с ним. Он очень помог мне при подготовке доклада про 105-летие ФХА. Хочется пожелать этим людям крепкого здоровья и дальнейших успехов в науке и труде на благо нашей страны и отрасли. Эти люди не понаслышке знают, что такое физико-химический анализ. Кроме этого, хочу поздравить с юбилеем ФХА всех читателей журнала, всех специалистов в этой области, особенно коллег по ВНИИНМ и по МИТХТ, в котором я учился. Искренне поздравляю с этой датой всю свою родную кафедру ХиТРРЭ, особенно профессора Д.В. Дробота, который читал нам в МИТХТ лекции по ФХА, а также профессоров кафедры ХТООС Л.А.Серафимова и А.К. Фролкову, которым я также благодарен за свой интерес к теме физико-химического анализа. А ещё желаю всем не забывать свои научные «корни». Школа физико-химического анализа, основанная Н.С. Курнаковым, воспитала целую плеяду талантливых учёных. Постараемся же быть достойными своих учителей и не терять преемственности.

34 5

© Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», ООО «НВМ-пресс», Вестник Атомпрома