khimie.ru

Оценка состава руд и минералов проводилась с глубокой древности, она была необходима для получения бронзы, железа, драгоценных металлов. В XIX в. химический анализ такого рода объектов (назовем их для краткости геологическими) приобрел особое значение. Это было связано с расширением разведывательных и горно-обогатительных работ, развитием металлургии, увеличением потребности в разного рода солях, в том числе для производства удобрений и строительных материалов. Как правило, геологические объекты весьма сложны по составу, анализ их — очень трудная задача. История показывает, что необходимость изучения состава минерального сырья не раз вызывала к жизни новые подходы, новые методы и средства анализа, т.е. способствовала развитию аналитической химии как науки.

В начале XX в. минеральное сырье (наряду с металлами и сплавами) было главным объектом исследований химиков-аналитиков. В этой области широко использовали гравиметрические, реже — титриметрические методы. Начиналось применение атомно-эмиссионного спектрального анализа. Его преимуществом при анализе минерального сырья было то, что пробы во многих случаях можно было не переводить в раствор, ведь растворение минералов зачастую — нелегкая и трудоемкая процедура. Основной целью анализа минерального сырья было количественное определение Целевых элементов или их соединений (например, черных и цветных металлов в их рудах, фосфора в фосфоритах и т. п.). Во многих случаях требовалось также знать, есть ли в образцах другие ценные элементы помимо целевых. Так, в медных и никелевых рудах обнаруживали платиновые металлы, в золотых — серебро, в титаномагнетитах — ванадий. Необходимо было установить и общий состав образцов, ведь эффективность обогащения руд и последущей выплавки металла в значительной степени зависит от содержания тех или иных неметаллических компонентов. Отсюда проблема так называемого «силикатного анализа» — точного определения 10-12 породообразующих компонентов. Особенности геологических объектов во многом определяли развитие тех или иных методов, видов и приемов анализа. По мере истощения богатых руд приходилось анализировать пробы с очень низким содержанием элементов. Это стимулировало разработку и применение методов с большей чувствительностью. Необходимость оперативного нахождения месторождений требовала создания полевых средств качественного и полуколичественного анализа (походные лаборатории; впоследствии поиск урана с самолетов по гама-излучению и т.д.). Задача выявлять и анализировать отдельные включения в минералах и породах стимулировала появления средств фазового (локального) анализа (селективное растворение, а с 1950-х гг. — электронный зонд). Однако этот вид анали вплоть до 1970-х гг. развивался медленно. Важным методом анализа минерального сырья в XX в. стал атомно-эмиссионный анализ. Потребность в массовых лабораторных анализах более или менее однотипных проб привела к созданию и широкому распространению полуколичественного, но производительного варианта этого метода — так называемого метода просыпки. Другим путем решения той же задачи стало внедрение высокопроизводительных атомно-эмиссионных, а потом и рентгеновских квантометров. В СССР «главным специалистом» по спектральному анализу минерального сырья был А. К. Русанов.

Анатолий Константинович Русанов — доктор технических наук, профессор, руководил спектральной лабораторией Всесоюзного института минерального сырья (ВИМС). Окончил (1929) химическое отделение физико-математического факультета Московского университета. Еще, до окончания учебы был зачислен в ВИМС и в качестве преподавателя — в Московский горный институт. Работал в ВИМС до конца жизни, с 1934 г − доцент, в 1938 г. защитил кандидатскую диссертацию, в 1942 г. — докторскую. Специалист по атомно-эмиссионному анализу геологических объектов, создал первую в СССР лабораторию количественного спектрального анализа руд и минералов, разработал для этого новые при емы и аппаратуру, готовил кадры. Автор, по-видимому, первой совет ской публикации по атомно-эмиссионной спектроскопии (1931) и одной из первых книг (1948) по спектральному анализу. Впоследствии опубли ковал еще четыре книги. Его атлас дуговых спектров 78 элементов ши роко использовали в практике. Развил представления о последовательности поступления элементов различной летучести в плазму дугового разряда («ряды летучести Русанова»). Разработал простой и эффективный метод получения спектрально чистых электродов из графита, организовал их производство. Усовершенствовал и распространил предложенный В.В.Недлером метод вдувания порошковых проб непосредственно в горизонтальный дуговой ряд, что позволило в 5-10 раз сократить время анализа геологических образцов.

Этот метод вдувания (просыпки) использовали в геологической службе полуколичественных анализов. Под руководством А. К. Русанова была создана и аппаратура для реализации метода вдувания.

В последующие годы была сконструирована лазерная установка для анализа микрозерен минералов на шлифах. Еще в 1932 г. А. К. Русанов разработал методы количественного пламенного определения щелочных и щелочноземельных металлов, индия, галлия и таллия в растворах.

Работал в бюро научных советов АН СССР по спектроскопии и аналитической химии, в составе Научного совета по аналитическим методам министерства геологии СССР, был членом редколлегий «Журнала английской химии» и журнала «Заводская лаборатория». Способствовал созданию спектральных лабораторий в геологической службе страны, а также в Гиредмете, Всесоюзном научно-исследовательском геологичеком институте (ВСЕГЕИ), Почвенном институте и других учреждениях.

В 1930—1950-е гг. внимание металлургов привлекли редкие и рассеянные элементы. Многие аналитики разрабатывали методы выделения и определения ниобия, тантала, циркония, рения, индия, редкоземельных элементов. В 1961 г. ГЕОХИ АН СССР выпустил сборник «Методы определения и анализа редких элементов», в ряде институтов были созданы лаборатории редких элементов. Еще один блок аналитических работ связан с определением в геологических объектах благородных металлов. Этот раздел анализа имеет большую историю, важными вехами было открытие платиновых металлов, в том числе в образцах российского происхождения, обнаружение платиновых металлов в медно-никелевых сульфидных рудах, создание и внедрение производительных и чувствительных атомно-абсорбционных и радиоактивационных методов определения золота. Непростые ситуации возникают в этой области и сегодня. Пример — проблема «углистых сланцев».

В конце XX в. в раде стран, особенно в России, были обнаружены так называемые «углистые сланцы», содержащие золото. Содержание углерода в этих месторождениях довольно велико, но золота в них тоже немало; месторождения «Сухой Лог» в Иркутской области, «Наталка» в Магаданской области считаются одними из самых крупных в мире. Переработка углеродсодержащих пород — нелегкая технологическая проблема, но речь не об этом. Появились предположения, что наряду с золотом в этих месторождениях присутствуют платиновые металлы. Ценность месторождений в значительной степени зависела от того, подтвердятся эти предположения или нет. Однако разные аналитические лаборатории стали давать противоположные результаты — от полного отсутствия до обнаружения промышленных запасов платиновых металлов. Часто на одних и тех же образцах! Эта ситуация стала настоящим вызовом для аналитиков. Повторные проверочные эксперименты, споры, совещания на высоком уровне, а задача не решается. Было выдвинуто несколько предположений. Одно из них заключалось в следующем. Анализы большей частью проводились методом пробирной плавки (лабораторный вариант металлургического процесса, т. е. использовали очень высокие температуры) с последующим анализом концентратов. Платиновые металлы в присутствии больших количеств углеродсодержащих соединений могут, в принципе, давать летучие соединения, например оксихлориды. Во время пробирной плавки эти металлы могут «улететь». Для проверки бы использованы методы прямого определения платиновых металлов, в частности масс-спектрометрические. В тех образцах, где после пробирной плавки ничего не находили, масс-спектрометристы обнаруживали значительные количества платиновых металлов! Однако предположение по «улетучивании» платиновых металлов нашло своих оппонентов, у которых были веские аргументы. Другое предположение — платиновые металлы сорбируются на неразлагаемых частях углеродсодержащей матрицы и, таким образом, опять же выходят из игры. До настоящего времени проблема, кажется, так и не решена окончательно.

Для оценки руд и особенно для разработки технологии их обогащения важно не только валовое содержание элементов, но и формы их существования (вещественный анализ), в том числе наличие разных фаз (фазовый анализ). В СССР фазовый анализ руд и минералов ведет свое начало от работ В. Г. Агеенкова, предложившего в 1930-е гг. схему анализа медных руд. В послевоенные годы интерес к этому виду анализа особенно возрос, главным образом со стороны обогатителей и металлургов. Разрабатывались методы анализа промежуточных продуктов свинцово-цинкового производства, металлургических пылей и шлаков, медных и железных руд и др. Подбирали селективные растворители и органические реагенты — унитиол, тиомочевина. Эти работы развивались в лабораториях разных научно-исследовательских институтов — Государственного научно-исследовательского института цветных металлов, ленинградского Института механической обработки полезных ископаемых, Казахского института минерального сырья, Института физико-химических основ переработки минераль­ного сырья (Н. А. Филиппова, В. В. Доливо-Добровольский, Б. С. Христофоров).

В сфере анализа минерального сырья выросло много крупных аналитиков, целая генерация опытнейших специалистов. Например, в США исследования по анализу минерального сырья в значительной степени проводились и стимулуровались федеральной геологической службой. Там работали крупные специалисты-аналитики, в частности начинал свою научную карьеру В. Гиллебранд, известный в нашей стране по изданным на русском языке книгам.

Особенно популярной стала книга В.Ф. Гилебранда, Г. Е. Лендела, Г. А. Брайта и Д. И. ГоФмана «Практическое руководство по неорганческому анализу». Позже В. Гиллебранд работал в национальном бюро стандартов США.

В СССР важнейшие исследования в области анализа минерального сырья параллельно вели в Ленинграде группа Ю. В. Морачевского и Ю.Н. Книпович (ВСЕГЕИ), в Москве — группы И. П. Алимарина, В. И. Кузнецова, Ю. Ю. Лурье и др (ВИМС).

И. П. Алимарин в 1950-е гг. — не только один из лидеров отечественной аналитической химии, но и был ведущий советский специалист по анализу минерального сырья.

Иван Павлович Алимарин учился в Московской горной академии. С 1923 г. в течение 30 лет работал в крупнейшем научном учреждении — Институте прикладной минералогии (позднее — Всесоюзный институт минерального сырья). И. П. Алимарин прошел путь от научного сотрудника до заведующего химико-аналитической лабораторией, заместителя директора института. Во время работы в ВИМС его интересы были связаны с аналитической химией редких и рассеянных элементов, определением малых концентраций элементов в геологических объектах, анализом малых количеств минералов. В 1935 г. И.П.Алимарину была присвоена степень кандидата наук (без защиты диссертации); докторская диссертация (1950) посвящена аналитической химии ниобия и тантала. В 1953 г. И. П. Алимарин избран членом-корреспондентом АН СССР, в 1966 г. — действительным членом. В 1960 —1980-е гг. И. П. Алимарин, ра­ботая в МГУ им. М. В. Ломоносова и ГЕОХИ АН СССР, занимался редкими элементами, в частности процессами их комплексообразования с реагентами разных классов, разделением и концентрированием (экстракция, хроматография, соосаждение), активно пропагандировал использование радиоактивных изотопов и излучений, ЭВМ, лазерной техники. При поддержке И. П. Алимарина начинались исследования по ра-Диоактивационному анализу, инверсионной вольтамперометрии, лазер­ной спектроскопии и другим методам. Длительное время И. П. Алимарин возглавлял Научный совет АН СССР по аналитической химии, был главным редактором «Журнала аналитической химии», представлял аналитическую химию в Академии наук, имел широкие международные связи.

И. П. Алимарин удостоен звания Героя Социалистического Труда, имел много других наград, в том числе международных. Его считали лидером советской аналитической химии.

Работы по анализу минерального сырья в СССР в научно-методическом плане координировал Научный совет по аналитическим методам (НСАМ), созданный в 1964 г. Министерством геологии на базе ВИМС. Конечно, этот совет занимался в первую очередь проблемами анализа в этом ведомстве — в геологической службе, но его влияние отчасти распространялось и на другие структуры (вузы, Академию наук). Советом руководили В. Г. Сочеванов (1964-1975) и Г. В. Остроумов (1975-2005).

Было издано много книг по анализу минерального сырья, особенно1940-1960-е гг. Помимо руководств по применению в этой области или иных методов анализа появились и обобшающие монографии справочные издания. В качестве классических книг назовем «Анализ минерального сырья» под редакцией Ю. Н. Книпович и Ю. В. Морачевского (Л.: Гос. науч.-техн. изд-во хим. лит., 1956) и «Методические основы исследования химического состава горных пород, руд и минералов» под редакцией Г. В. Остроумова (М.: Недра, 1979).