В Институте физико-­органической химии разработана термодинамическая и квантово­химическая модель преобладающих комплексов ионитов с водой в процессе гидратации, позволившая визуализировать их атомарное строение, состояние протона, ионов лития и натрия, а также с высокой точностью определить макроскопические свойства этих материалов.

НА ПЕРЕКРЕСТКЕ ДВУХ НАУК

15.02.2016/№7 (стр.2)

Соединить термодинамику и квантовую химию в одной новинке успешно получилось у коллектива ученых из Института физико-органической химии НАН Беларуси (ИФОХ). Их работа по созданию модели преобладающих гидратов для количественного описания процесса гидратации пространственных ионитов заняла достойное место среди Топ-10 результатов НАН Беларуси по итогам 2015 года.

Деятельность авторов была инициирована, в частности, необходимостью предсказания эффективности очистки воздуха от химических загрязнений кислотного и щелочного характера волокнистыми ионитами с помощью технологий, разработанных в институте. При создании модели использовались термодинамические и квантово-химические методы.

Термодинамика – наука, которая появилась во второй половине XVIII века, во время создания паровых машин. Позднее она стала считаться феноменологической наукой, а феномен возникает фактически в итоге обработки экспериментов, результаты которых пока не могут быть описаны существующими теориями. Поэтому феноменология – это посредник между экспериментом и теорией. Термодинамика сродни математике: она не объясняет и не затрагивает строения веществ, но служит незаменимым инструментом. Квантовая же химия – наука куда более молодая, ей не более тридцати лет. Она основывается на знании структуры атома и помогает визуализировать образы молекул или частей материи. В науке полноценной замены этому инструменту опять-таки нет.

Воспользоваться же им можно при помощи компьютерных расчетов и моделирования. К слову, в лаборатории ионного обмена и сорбции ИФОХ НАН Беларуси они проводятся на собственном современном оборудовании.

Для выполнения рассматриваемой работы академик Владимир Солдатов и его коллега по лаборатории Евгений Косандрович разработали теоретический подход, позволяющий получить информацию о состоянии молекул воды и ионов в пространственных полиэлектролитах. Он основан на совместном применении неэмпирических квантово-химических расчетов структуры и электронного состояния представительных фрагментов этих полимеров и разработанной термодинамической модели, получившей название модель преобладающих гидратов.

Разносторонний подход к проблеме объясняется тем, что создание модели преобладающих гидратов потребовало решения нескольких вопросов, касающихся состояния молекул воды, протона и некоторых других ионов в фазе ионита, поглощающего данные примеси. Необходимо было также найти параметры кислотности его функциональных групп, количественно характеризующих их сродство к протону. Было известно, что иониты могут поглощать кислотные или щелочные примеси только в том случае, если активность паров воды в воздухе превосходит некоторые критические величины. Эти величины специфичны для каждого ионита и зависят от параметров кислотности функциональных групп ионита, а также от количества свободной воды в фазе ионита, которая способна взаимодействовать с протоном и является диффузионной средой. В этой среде осуществляется транспорт поглощаемых молекул загрязнителя от периферии вглубь частицы ионита. Таким образом, одна их практических сторон использования модели преобладающих гидратов – это помощь в оценке материала, пригодного для создания газового химического фильтра.

Такой фильтр функционирует при достаточной влажности воздуха. Чисто экспериментальный путь при этом вызывает ряд неудобств, начиная от больших сроков проведения экспериментов до возникающих разнообразных погрешностей, которые необходимо учесть в расчетах. Это тот случай, когда ученым предпочтительнее и экономнее обратиться за обработкой информации к компьютерным программам.

Данный подход химиков ИФОХ позволил в количественном виде описать и визуализировать атомарное строение ионита, состояние протона, ионов лития и натрия, а также с помощью выведенных уравнений модели рассчитать практически с точностью эксперимента макроскопические свойства этих материалов – изотермы сорбции воды и колебательные спектры. В свою очередь, для нахождения параметров кислотности была разработана модель ближайших соседей, которая позволила описать кислотно-основные свойства ионитов в зависимости от содержания кислотных функциональных групп, способных генерировать протон в процессе их диссоциации. Установленные закономерности использованы и используются при разработке новых ионообменных волокон и питательных субстратов.

Рабочая группа под управлением академика В.Солдатова – первопроходцы в деле квантового моделирования в нашей стране. Модель преобладающих гидратов стала продолжением одной их научных тематик, разработанной под руководством ученого ранее – методики квантово-химического моделирования сложных ионообменных систем. Эта методика позволяет априорно оценивать сорбционные и ионообменные свойства полиэлектролитов в зависимости от их структуры и химического состава. В ее рамках был предложен и апробирован метод оценки влияния пространственной структуры полимерных сеток на свойства катионитов и анионитов.

Отметим также активное участие Е.Косандровича в разработке импрегнированных волокнистых материалов на основе ионитных волокон для извлечения кислых и основных газов из технологических сред с низкой относительной влажностью. Он развил теоретические подходы к оценке кислотно-основных свойств ионитов по параметрам кислотности присутствующих в них функциональных групп, предложил новую теоретическую модель для описания поглощения паров воды и обосновал ее применение для предсказания сорбционной способности ионитов при поглощении веществ основной природы из воздуха с различной относительной влажностью и содержанием удаляемого компонента. Ученый установил ряд закономерностей процессов сорбции волокнистыми ионитами газов различной химической природы и непосредственно участвовал в создании новых материалов и устройств для извлечения примесей ионогенного характера из газовых и водных сред. Эти результаты использованы в процессах глубокой очистки технологического воздуха, очистки воздуха от установки по уничтожению взрывателей артиллерийских выстрелов, а также при очистке вентиляционных выбросов на предприятиях.

Разработанная термодинамическая модель преобладающих гидратов применима и в других отраслях промышленности: там, где применяется катализ ионитами. В частности, в нефтехимии. Катализ ионитами – достаточно молодая область науки на границе между физической и органической химией, однако результаты лабораторного изучения и промышленного применения каталитического синтеза в присутствии ионообменных материалов уже показали немалые перспективы.

Наконец, результат ученых ИФОХ имеет в целом общенаучное значение. Это как создание инструмента, которым пользуются, не вспоминая о том, каким образом все функционировало до его изобретения. Измерить с помощью весов массу объектов – это важно. Но изобрести эти «весы» – казалось бы, незаметный впоследствии, куда более значимый труд и результат. Модель преобладающих гидратов от ИФОХ НАН Беларуси – из семьи таких научных достижений.

Елена ЕРМОЛОВИЧ, «Навука»