Пограничные эффекты в косных системах

На том же химическом основании (атомы, молекулы, полимеры, коллоиды), на котором возводилась пирамида организации биомассы, легко построить пирамиду организации косных систем, закончив ее также географическим уровнем или расширив до пределов Вселенной.

Пограничные слои твердых и жидких объектов любого масштаба, от капли до океана и от взвешенной в воде частицы детрита (detritus - истертый (лат.), органо-минеральные агрегаты преимущественно биогенного происхождения, фрагменты тел отмерших организмов.) до космического тела, обладают особыми свойствами и особым состоянием, связанными с двумя группами причин. Во-первых, пограничные слои служат местом, где встречаются и взаимодействуют вещества среды и тела, трансформируются потоки вещества и энергии. Во-вторых, пограничные слои - место, где возникает избыточная (по сравнению с внутренней областью тела) поверхностная энергия разной природы и формы. Примером может служить избыточная энергия молекул, проявляющаяся в поверхностном натяжении, и избыточная потенциальная энергия, заключенная в рельефе поверхности океана и материков и связанная с отклонением этого рельефа от поверхности равного потенциала силы тяжести (геопотенциала).

Наиболее впечатляющи на фоне инертности внутренней массы пограничные эффекты в твердых телах. Заметим сразу, что граничная поверхность вода - твердое вещество, особенно вода - измельченное твердое вещество, составляет самую большую по суммарной площади поверхность раздела фаз в океане (коллоиды не являются отдельной фазой). Второе место по площади занимает граница вода - живое вещество. На 1 м² граничной поверхности вода - дно (и соответственно на 1 м² вода - атмосфера) приходится около 1000 м² рассеянной в толще воды граничной поверхности вода-детрит, около 100 м² поверхности вода - бактерии и около 10 м² поверхности вода - оливково-зеленые клетки.

Молекулярное состояние вещества у поверхности и в глубине однородного твердого тела можно сравнить с состоянием войны и мира, полосой фронта и тыловой зоной. У поверхности идет бой за существование структуры вещества, происходят химические реакции, создаются и разрушаются молекулы, рвутся и возникают взаимные связи, рассеянными в микропространстве «вспышками» выделяется и поглощается энергия. Особые свойства и особое значение граничной поверхности иногда проявляются в поразительно яркой форме, стоит лишь увеличить ее площадь. Так, если общую площадь поверхности увеличить за счет тонкого измельчения вещества, то упомянутые вспышки выделения энергии, соединившись, могут вызвать самопроизвольное (без участия искры или удара) воспламенение или даже взрыв самого обычного вещества в атмосфере обыкновенного воздуха.

Даже мучная пыль в воздухе способна к самовозгоранию, а сахарная и угольная пыль - к самопроизвольному взрыву, между тем обычным образом, с помощью спички, поджечь щепотку сахара или муки вряд ли кому удастся - вещество потемнеет (обуглится), но не загорится.

Воспламенение и взрыв при увеличении общей поверхности измельченного тела - крайнее проявление активности поверхностей. Чаще мы встречаемся с более умеренными эффектами активных поверхностей - с повышением растворимости и реакционной способности. Обыденный пример этого - использование лекарств в виде порошков и эмульсий.

Существенно, что реакционная способность вещества в процессе измельчения возрастает в гораздо большей мере, чем увеличивается его граничная поверхность, так как при этом одновременно изменяются свойства поверхностного слоя вещества, образуются в нем активные центры, разупорядочивается структура и возникает возбужденное состояние, которое иногда сравнивают с плазменным. Наведенная при измельчении дополнительная активность уменьшается с прекращением механического воздействия, но степень измельчения сохраняет свое значение. Так, в фотографии от измельченности частиц га-логенидов серебра в эмульсии зависит светочувствительность материалов.

Особенно активны свежеобразованные (ювенильные) поверхности. С их помощью удается при обычных, например комнатных, условиях осуществлять процессы полимеризации, вовлекать в реакции всегда инертный молекулярный азот и даже благородные (инертные) газы - аргон, ксенон и др. [Ходаков, 1972].

Термодинамически наиболее вероятны в телах такие процессы, которые при данных условиях приводят к минимуму свободной энергии. Это та часть внутренней энергии тела, которая может быть отдана им в форме работы, она называется еще недеградированной внутренней энергией. Минимум овободной энергии достигается в результате упорядоченного взаимного расположения молекул, атомов, ионов, и, если тому не мешают температурные и механические возмущения, образования симметричной и уравновешенной кристаллической структуры. Ближний порядок взаимного расположения молекул осуществляется даже в жидкостях, дальний - в твердых телах, к которым, по строгому определению, относятся только тела кристаллические (аморфные тела - застывшие жидкости).

С переходом от внутренней к пограничной области тела возрастает вероятность нарушения кристаллической структуры при различного рода воздействиях среды, и прежде всего при механических воздействиях. При этом возникает аморфизированный активный поверхностный слой, в котором блоки кристаллической структуры окружены свободно расположенными и перемещающимися частицами вещества.

Аморфизированный слой и аморфное состояние можно образно сравнить с бароклинным состоянием верхнего слоя океана или с почвенным покровом Земли, а кристаллическое - с изостатически уравновешенными глубинными слоями океана и Земли.

Аморфизированный слой неоднороден, с приближением к поверхности его активность повышается. Согласно Г. С. Ходакову [1972], тонкоизмельченный кварц имеет аморфизированный поверхностный слой толщиной 0,03-0,1 мкм; растворимость такого кварца достигает при комнатной температуре 120-140 мг/л. Если же удалить аморфизированный слой, то растворимость становится обычной, 1 мг/л.

В лабораториях, на производстве и в природе применяется один и тот же способ понуждения твердых веществ к реакциям: увеличение их поверхности при измельчении. «В большинстве случаев, - отмечает Г. С. Ходаков, - практическое использование твердых материалов в гетерогенных и твердофазных реакциях без их предварительного измельчения вообще невозможно». Мировое производство порошкообразных материалов составляет миллиард тонн в год, и на это расходуется около 10% всей вырабатываемой человечеством электроэнергии. Несколько миллионов тонн высококачественной стали потребляется на изготовление размалывающих и дробящих механизмов.

Реакции, происходящие на поверхности твердых тел, подвергающихся механическим воздействиям, уникальны. Здесь на каждом шагу неожиданность и загадка. Эти реакции изучает механохимия - научная дисциплина, получившая свое название в 1952 г., но как область человеческой деятельности почти столь же древняя, как и сам человек.

Самым крупным механохимическим предприятием на земном шаре является волноприбойная зона Мирового океана вдоль всей его береговой линии. Однако это необычное предприятие остается белым пятном в наших знаниях. Первые же попытки имитировать это предприятие в лабораторных условиях привели к поразительным результатам. Например, сотрудники Института геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР, измельчая в мельницах глинистые минералы в водной среде, обнаружили образование пленок, напоминающих нефтяные [Молчанов, Шугурова, 1966]. Действительно, это оказались углеводороды. Углерод для их синтеза, как полагают, появлялся из чугуна - материала мельниц, водород - в результате разложения воды, а синтез осуществлялся благодаря каталитическому действию активных ювенильных поверхностей измельченных минералов. Можно ожидать, что механохимия океана раскроет многие тайны активных океанических поверхностей.

До сих пор мы говорили о повышении активности материала самого тела в его поверхностном слое. Однако не менее интересным, ярким и важным эффектом активных поверхностей является активизация адсорбированных на них посторонних веществ, сильное, в тысячи и десятки тысяч раз, ускорение их реакций - гетерогенный катализ. Д. И. Менделеев полагал, что молекулы (и даже атомы), поглощающиеся поверхностью твердых тел, деформируются и вследствие этого становятся более реак-ционноспособными. Природа гетерогенного катализа и роль адсорбированных форм выяснены еще далеко не полностью.

Если наш век часто называют веком пластмасс и нефтехимии, то решающее значение в этом имел гетерогенный катализ. Так, нефть до недавнего времени использовалась лишь как топливо, сжигалась. Начало применения ее для синтеза новых веществ с помощью гетерогенного катализа принято датировать 1783 годом, когда Пристли, пропуская через керамическую трубку для курения пары спирта, обнаружил, что они разлагаются на воду и этилен. Только через полтора столетия, в 1935 г., Гудри успешно реализовал в промышленном масштабе процесс крекинга нефти, применив в качестве гетерогенного катализатора глинистые минералы. Поскольку катализ осуществляется при одном лишь контакте веществ с активной поверхностью гетерогенных катализаторов, последние называют просто контактами. Таким образом, и химические и биогеографические пограничные эффекты породили одинаковые термины - «контакты» и «контактные зоны».