Михайлов В.А., Кузнецова Т.В., Гришанов Д.А. Химические

ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ И ЕЩЁ
ОДИН ЭФФЕКТ
В.А. Михайлов, Т.В. Кузнецова, Д.А. Гришанов
Ключевые слова:
приёмы творчества, виды химических эффектов,
химическая экология, база данных по использованию химэффектов (БД ХЭ).
Виды химических эффектов
Альтшуллер Г.С. [1, 1973], вычленив 40 приёмов творчества, включил в
их число 3 чисто химических действия в приёмах 35 – изменения физикохимических параметров, 38 – применение сильных окислителей и 39 –
применение инертной среды. Следуя чисто химической логике видно, что
следует рассматривать также применения восстановителей (можно отметить
важную роль в жизни человека овладение процессами восстановления
металлов), применяются также обменные химические реакции – таких
процессов в практике очень много, реакции комплексообразования и многие
другие виды реакций. В 80-е годы студент химфака ЧувГУ Сергеев С.Т.[2] и
инженер Рябкин И.П вычленили как особый вид ХЭ электролиз и другие
электрохимические процессы и реакции, отличающиеся улучшенными
возможностями управления их течением, Рябкин И.П.[3] рассмотрел также
патенты на основе применения капиллярно-пористых материалов. В выпуске
СК-20 [4] (сводной картотеки, 1980) нами были выявлены химэффекты:
ослабление окисления, объединения гидроксидов с полимерами, метод
возникающих реагентов, молекулярно-точного дозирования, квантовая
активация. В публикациях Саламатова Ю.П. [5, 6] (1982-1988 г.г.) собраны
патенты по озону, газотранспортным реакциям (включая атомную сборку
деталей), газо- и кристалло-гидратам, гидридам металлов, восстановлению,
экзо- и эндотермическим реакциям (включая СВС-реакции), фото- и
термохромам, гидрофильности и гидрофобности, по комплексонам и др. Мы
продолжаем сбор и анализ патентов, основанных на химэффектах, в
частности при решениях задач химической экологии и других применений
химических технологий. [7-12] Фрагмент Базы данных по использованию
химэффектов (БД ХЭ) [11] представлен в виде сайта, включающего 3
раздела: Новости, БД ХЭ и Статьи. Рефераты в разделе Новости
пополняются еженедельно. Число рефератов в разделе БД ХЭ достигает 1700
(из 25000 патентов и рефератов, собранных. в нашей базе данных) и
приведён список более 92/(110 подприёмов) химических эффектов [12] и
пополнение этого сайта продолжается.
Систематизация химических эффектов
Подготовлены обзоры решений проблем экологии [7, 8] и способов
активации химических реакций на основании собранных рефератов патентов
и научных работ [9, 10]. Обзор решений проблем экологии включает более
300 технических решений, которые разделены на 5 групп экологических
эффектов:
c82mw – изменение техпроцессов с минимизацией или
ликвидацией отходов;
c83wm – применение накопленных отходов как
сырья; c84ww – очистка сточных вод как отходов до уровней ПДК для
сброса их в природные водоёмы; c85gw – очистка газовых выбросов до
уровней ПДК; c40em – способы и методики экологического мониторинга
объектов окружающей среды. По разделам c84ww и c85gw в текущем
учебном году дипломниками кафедры неорганической химии ЧувГУ
составляются обзоры собранных патентов и техрешений, опирающиеся на их
классификацию по схеме развития применений физики и химии в технике
МАТЭМЭмХБхЖЯф {т.е. от механики – характеризующейся минимумом
энергии на единицу массы тела; акустики – колебательной механики тел;
теплоты – основанной на колебаниях атомов и молекул; электричества –
статике и динамике электронов в телах;
магнетизма – магнитных сил
притяжения и отталкивания;
через электромагнитные колебания – весь
спектр таких (от радиоволн до гамма) лучей; к химии – основанной на
использовании свойств и превращений веществ и включающей более 90
видов химических эффектов (более 110 с учётом подприёмов, выделенных в
системе БД ХЭ); далее к биохимии и химии жизни – обеспечивающих
энергетику и превращения живого вещества; и, наконец, к ядерной физике –
характеризующейся наибольшей величиной энергии на единицу массы тел}.
При этом отмечаются более эффективные техрешения, когда они опираются
на объединения (код c30ve) разных физических и химических эффектов в
одном таком решении (патенте).
Приведён также обзор патентов по линии активации химических
реакций: нагрев – местный нагрев (3) – применение реагента-посредника
(3) – катализатор “одноэлектронный” (>500) – активация электрическим или
ультрафиолетовым полем (5) – активация в резонансных полях (3) –
катализатор одновремённого возбуждения 2-3-х электронных пар (?) –
ферментный катализ (2 примера). В данном обзоре отмечается, что при
совремённом состоянии развития физики и техники для такой активации
могло бы применяться значительно больше резонансных явлений в
технических процессах (возможно, что ряд таких решений находятся в
«скрытых» состояниях как “know how”).
Группа Экология, химия и ТРИЗ
В Vkontakte.ru создана группа Экология, химия и ТРИЗ, в заметках и на
стене группы рассматриваются по предложениям её участников некоторые
проблемы на территории РФ от Калининграда до Камчатки (более 100
человек): куда девать старые железнодорожные шпалы, как оценивать
качество бензина, куда девать бутылки из ПЭТ и др.. Приглашаем к
сотрудничеству: выявлению и постановке экологических проблем и задач
всех участников данного собрания. Не все знают, понимают и «любят»
химию, но, увы, все мы участвуем как в ухудшении (загрязнении
окружающей среды такими химическими веществами, которые в природе без
нас не могут быть переработаны, например, пластмассы), так и в улучшении
окружающей среды – все мы вольно и невольно участники «химической
экологии».
Ещё один химический эффект
В дополнение к описанным уже 110 приёмам и подприёмам
химических эффектов [12] предлагаем на основе химической практики и
описаний патентов [13-21] ввести эффект 93-й: c93cb “Применение
химических равновесий / Use of chemical balance (equilibrium)”. Данный
эффект можно рассматривать как частный случай приёма “динамизации”
системы в химической трактовке [1, 12] – в этой трактовке к нему уже
отнесены химические процессы: противотока реагентов, кипящего слоя (или
порошка в состоянии “псевдожидкости”) и “летящего” катализатора. Но
применения химических равновесий встречаются достаточно часто, поэтому
введём его как еще один химический эффект, используемый как регулятор
химических реакций и условий среды, в которой протекает реакция.
Условием среды часто является показатель рН – показатель
концентрации иона Н+, величина которого в присутствии (в среде) воды
существенно влияет на направление и степень протекания химических
процессов (в том числе биохимических реакций). Для стабилизации
величины рН, как известно, используют буферные растворы – это смеси
слабой кислоты (НА) (или слабого основания - ВОН) с её солью, как правило,
при их соотношениях:
от МеА:НА (или ВА:ВОН) = 0,1:1 - до 10:1 (при его оптимуме = 1:1).
Буферность растворов (поддержание величины рН в допустимых пределах)
обеспечиваются за счёт химических равновесий диссоциации слабой кислоты
HA + H2O <==> H3O+ + OH- ; или основания BOH <==> B+ + OHВеличина рН в водных растворах этих смесей зависит от величины рКна
(показателя константы кислотной диссоциации слабой кислоты НА) и этого
соотношения соли и кислоты (Са/Сна):
рН (раствора смеси) = рКна - (рСа – рСна) = рКна - р(Са/Сна);
или
для смеси слабого основания (с показателем диссоциации рКвон) с её солью
рН зависит от соотношения (Св/Свон):
pH = 14 – рОН = 14 – [рКвон – р(Св/Свон)] ;
здесь – Са, Св, Сна и Свон – молярные концентрации (моль/л) Са, Св
(солей), Сна (слабой кислоты) и Свон (слабого основания);
рКвон –
показатель константы диссоциации слабого основания. Можно заметить, что
жидкие водные среды в живых организмах являются буферными растворами,
которые обладают свойствами компенсировать воздействия любых кислот и
оснований, обеспечивая сохранность рН растворов при таких воздействиях
вблизи оптимальных значений (если концентрации воздействующих веществ
не очень велики – в 2-10 раз меньше концентрации веществ буферной среды).
Буферные системы широко применяют в химической практике.
Другим примером применения равновесий в химической технике
являются электролиты – растворы солей металлов, применяемые при
электроосаждении металлов на катоде. При электролизе соли сильного
электролита имеет место противоречие: при высокой концентрации соли
образуется осадок низкого качества, а при низкой концентрации соли
образуется хороший осадок металла на детали, но из раствора быстро
исчезают ионы Ме и поэтому очень трудно достаточно длительное время
поддерживать постоянный режим электролиза. Это противоречие разрешают
во многих патентах [13-21] введением в раствор-электролит лигандов (L),
образующих растворимые малодиссоциированные комплексы:
Men+ + mL- <=(pHopt)=> [Me(L)m](n-m)+ ; (обратимая реакция)
pKp = pCMeLm –(pCMe + mpCL) ;
отсюда
pCMe = pCMeLm – pKp – mpCL ;
здесь:рКр– показатель конс(n-m)+
танты равновесия комплекса [Me(L)m]
; рС – показатели концентрации
разных ионов: pCMeLm – комплекса;
pCMe – несвязанного катиона;
pCL – свободного лиганда.
По данному равновесию в электролите стабилизируется концентрация
катиона Men+, практически постоянная величина которой (колеблющаяся в
допустимых пределах) и определяет хорошее качество осадка при
электролизе. В качестве лигандов для солей меди, никеля, цинка, кобальта и
других катионов-комплексообразователей используют Трилоны А или Б,
цитраты (анионы лимонной кислоты), тартраты (анионы винной кислоты),
замещённые фосфонаты, триазолы, триэтиленгликоли, алкилкарбаматы и др.
вещества, склонные образовывать малодиссоциированные комплексы с
катионами Men+ по обратимым быстропротекающим реакциям диссоциации
и образования. В результате таких комплексов и их диссоциации рабочая
концентрация свободного, несвязанного в комплекс катиона
[Men+]
достаточно длительное время остаётся невысокой и почти постоянной
(обеспечивая оптимальность концентрационного условия электролиза).
Концентрация катиона поддерживается за счёт равновесной, обратимой
диссоциации комплекса в растворе по мере израсходования его в целях
электроосаждения или в других процессах (выделения, восстановления,
связывания катиона металла из раствора). Только в последние 4 года в
патентном фонде обнаружены 9 таких патентов, целью которых является
улучшение качества продуктов этих процессов. Электрохимикам также
известны процессы получения качественных покрытий деталей золотом и
серебром из растворов их цианидных комплексов (в следствие высоких
величин рК их комплексов, малых равновесных концентраций катионов и
быстрого протекания реакций диссоциации этих комплексов).
Таким образом, химический эффект 93 c93cb “Применение
химических равновесий / Use of chemical balance (equilibrium)” может быть
включен в известный перечень ранее выявленных химэффектов [11, 12],
дополняя число химических эффектов (ХЭ) -инструментов для инженера,
химика и эколога. Полагаем, что дальнейший патентный поиск, который
нами продолжится (пока есть силы и сохраняется разум), покажет более
широкий круг проявлений применений химических равновесий, также и в
окислительно-восстановительных явлениях и других равновесных процессах.
Примером окислительно-восстановительного равновесия является
удаление с печатных плат избыточной меди раствором хлорида меди (2):
Cu + CuCl2 ==> 2 CuCl ;
CuCl + HCl + O2 =(H2O2)=> CuCl2 + H2O
трудностью этого процесса является то, что соль CuCl - хлорид меди (1) является малорастворимым веществом и может загрязнить оборудование.
Чтобы устранить это противоречие в раствор добавляют перекись водорода
(Н2О2), которая медленно разлагается с выделением кислорода (О2), который
тут же окисляет CuCl до CuCl2, не давая образоваться осадку и загрязнить
этим осадком оборудование, регенерируя исходный реактив (CuCl2). В этом
примере используются несколько ХЭ: первая реакция окисление медиметалла солью меди (код c01os), т.е. применяют однородный (c31hr) реагент;
затем восстановленную соль (CuCl) окисляют кислородом (c01oO),
полученным по реакции распада (c19tl) перекиси (Н2О2), регенерируют тем
самым исходную хорошо растворимую (c13sl) соль (CuCl2) и избегают
загрязнение оборудования осадком соли (c76sv). В данный пример
“включены” 5-6 видов-подвидов простых химических эффектов.
Пример В. Уразаева (лечение гастрита) [22]
Большинство лекарственных препаратов стремятся "помочь" больным
уменьшить те неблагоприятные отклонения, которые в ней возникли. При
гастрите по тем или иным причинам резко увеличивается секреция соляной
кислоты. Обычно предлагают нейтрализовать избыток этой кислоты
щелочью (альмагелем и др.). На первый взгляд, все вполне логично.
Концентрация соляной кислоты в желудке уменьшается и снижается
раздражение слизистой оболочки. И, кажется, все довольны: больной тем,
что отступила боль, а врач тем, что оказал помощь. Но через некоторое время
все повторяется, причем все чаще и чаще, и переходит в язвенную болезнь.
Причем, чем пунктуальнее выполняет указания врачей больной, и чем чаще
он использует лекарственные препараты, тем короче становится дистанция
между гастритом и язвой желудка [22].
Как может повлиять на работу биомашины (БМ) такая "помощь"? В
этой машине есть железы, вырабатывающее соляную кислоту (железы), и
есть рецепторы, измеряющие ее количество в желудке, есть отрицательная
обратная связь, поддерживающая заданную концентрацию кислоты. В
момент введения гидроксидов металлов (перед нейтрализацией кислоты) БМ
находилась в равновесии, характерном для ее "больного" состояния. После
нейтрализации части кислоты, БМ переходит в неравновесное состояние.
Рецепторы определяют, что содержание кислоты стало меньше и подается
команда на выработку дополнительного количества кислоты, чтобы вновь
прийти в прежнее состояние. Чем чаще и интенсивнее будет такого рода
воздействие на БМ, тем более вероятно, что такой "форсированный" режим
работы для желез, вырабатывающих соляную кислоту, станет "новой
нормой". Условный рефлекс никто еще не отменял. Говоря медицинскими
терминами, мы придем к хроническому заболеванию. Если же мы и далее
будем лечиться таким методом, то все ближе и все быстрее будем
приближать себя к язве. Предполагая, что традиционные лекарственные
препараты, работают по принципу отрицательной обратной связи, на самом
деле мы получаем положительную обратную связь. Следовательно, с точки
зрения тактики, такой метод лечения верен, а с точки зрения стратегии он
порочен. Действительно, как показывает жизненный опыт, простой отказ от
приема лекарственных препаратов, часто приносит большую пользу, чем их
прием. Так называемые "плацебо" (лекарства пустышки) оказываются не
менее эффективными, чем дорогостоящие медицинские препараты. Как же
превратить эту фактически положительную обратную связь в отрицательную
обратную связь? В основе жизнедеятельности человека лежат химические
реакции, известно, что многие химические реакции обратимы. Различие
лишь в величине константы равновесия. Принцип Ле Шателье гласит: если
система находится в состоянии равновесия, то при воздействии на нее сил,
вызывающих нарушение равновесия, система переходит в такое состояние, в
котором эффект внешнего воздействия ослабевает. Введение в систему
дополнительного количества реагента смещает равновесие в направлении
того процесса, при котором концентрация этого реагента убывает, и
наоборот. Соляная кислота появляется в желудке не просто так, а в
результате определенных химических реакций. Так что нужно сделать, чтобы
выделение соляной кислоты в желудке уменьшилось? Как ни парадоксально
это звучит, но согласно принципу Ле Шателье, нужно добавить в него
кислоту! Добавить! А не отнять, как это обычно делается. И, если это
"антилекарство" постоянно вводить в БМ, тот же условный рефлекс сместит
равновесие в "больной" БМ в нужную сторону. В этом случае, с точки зрения
тактики будет положительная обратная связь, а с точки зрения стратегии так нужная нам отрицательная обратная связь.
Прием "сделать наоборот" уже использован. Но возникает следующая
задача. Как же так? Человек испытывает боль, из-за избытка соляной
кислоты, а мы ему добавляем еще и кислоты, и боли. Чем все это может
закончиться?
Сформулируем техническое противоречие этой задачи (ТП):
ТП 1. Если мы используем обычные лекарства, то кратковременно боль
прекращается, но со временем болезнь только прогрессирует.
ТП 2. Если мы используем "антилекарство", то болезнь излечивается (будем
считать что так), но боль при его приеме только увеличивается.
Главной задачей является положительный результат лечения – выбираем ТП2. Эта задача уже на стадии ТП легко решается с использованием "тризовского" приема "разрешить противоречивые требования во времени":
На стадии обострения болезни следует использовать традиционные лекарства, а в промежутках (в состоянии ремиссии), которые при таком методе
лечения должны увеличиваться, использовать "антилекарства" (лекарства,
дающие эффект обратный желаемому).
Выводы
В дополнение к ранее известным в ТРИЗ и БД ХЭ 92 видам
химических эффектов (вместе с подвидами 110) на основании химической
практики и патентных данных предложен ещё один такой эффект, который
действует в жидких и газовых средах или при контакте этих сред с
поверхностью твёрдых тел (при сорбции – в БД 290 патентов) при наличии
обратимых химических процессов. Полагаем, химический эффект,
основанный на обратимых химических реакциях (диссоциации, образовании
растворимых комплексов, реакциях окисления-восстановления, сорбции и
др.):
c93cb “Применение химических равновесий” расширяет творческую
палитру инженеров как ещё одно из средств разрешения физических
противоречий. Желательно увеличить число примеров-патентов по данному
химическому эффекту.
Литература
1. – Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения / М.: изд-во Московский рабочий,
1973. С. 163, 172, 175-176.
2. – Сергеев С.Т. Химические процессы в изобретениях /дипл. работа, Чебоксары:
Чуваш. ун-т, 1980. 100 с.
3. – Рябкин И.П. КПМ - вещество умелое /сб. Дерзкие формулы творчества.
Петрозаводск: изд-во Карелия, 1987. С. 165-171.
4. – Михайлов В.А., Сергеев С.Т., Толстова М.В. СК-20: Химия / Чебоксары:
ЧувГУ, 1980. 20 с. (60 патентов 1960-1978 гг.).
5. – Саламатов Ю.П. Озон – агент ООО //ж-л Техника и наука 1980. (57 патентов).
6. – Саламатов Ю.П. Подвиги на молекулярном уровне /сб. Нить в лабиринте.
Петроза-ск: bзд-во Карелия, 1988. С. 95-163. (215 патентов).
7. – Михайлов В.А. Базы данных при решениях экологических задач - опыт
патентного анализа //www.dace.ru/(статьи)
8. – Михайлов В.А. Некоторые тенденции экологических решений в патентах
//dace.ru/ (статьи) //ж-л Вестник ТО РЭА, Казань, 2006, 3, с.17-18. (300 патентов).
9. – Михайлов В., Соснин Э. Линия активации химических реакций по патентным
данным //www.dace.ru/ (статьи) //www.metodolog.ru/ (статьи) //сб. Совремённые
информац. технологии. Пенза: изд-во ПГТА, вып. 3, 2006, с.56-59. (10 патентов).
10. - Михайлов В., Соснин Э. Одна из линий развития активации химических
реакций: презентация //www.dace.ru/ (статьи) //www.triz-sammit.ru/
//сб. 18
Менделеевский съезд по общей и прикладной химии / М.: РАН, 2007, т.4, с.318.
11. – Михайлов В.А. и др. База данных по использованию химических эффектов в
патентах по химии и экологии //www.dace.ru/ (раздел: База данных патентов по
химии) - // (1700 рефератов патентов и НИР за 1960-2007 гг.), Чебоксары-СПб:
ЧувГУ, 500 с.
12. – Михайлов В., Соснин Э., Косарев Д. База данных к указателю химических
эффектов/ //сб. Три поколения ТРИЗ: ТРИЗ-фест-2006, СПб.: СПбГТУ, 2006.
С.239-242. //сб. Совремённые информационные технологии. Пенза: ПГТА, вып.1,
2005. С.31-35. (92 химэффекта).
13. – Патент RU 2007133712, 2007. Комплексон Fe с 3,5-дифенил-1,2,4-триазол для
фармавцетических препаратов.
14. - Патент RU 2007133499, 2007. Химическое осаждение Ag из комплекса с
пентаалкилкарбаматом R2NCOONHR3.
15. - Патент RU 2282682, 2006. Электролит меднения (с пропиленгликолем).
16. - Патент RU 2291230, 2007. Электролит свинцевания (с трилоном Б).
17. - Патент RU 2334830, 2008. Электролит металлизации (с нитрилотри(метиленфосфоновой кислотой) и солями Cu, Ni, Zn или Co).
18. - Патент RU 2346088, 2009. Электролит осаждения индия (с трилоном Б и
тиомочевиной).
19. - Патент RU 2343232, 2009. Электролит цинкования (с костным клеем).
20. - Патент RU 2349685, 2009. Электролит меднения (с оксалатом и триэтиленгликолем).
21. - Патент RU 2347785, 2009. Способ получения комплексов три(1,3-дихлоропропил)- фосфатов с хлоридами Sn, Ti для органического синтеза.
22. В. Уразаев http://www.urazaev.narod.ru/Owetschnom.htm