Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Профессор М.С. Сафонов, доцент Л.В. Кубасова

Московский университет - колыбель преподавания химической технологии в России. В 1806 г. в университете была организована кафедра технологии и наук, относящихся к торговле и фабрикам, которой заведовал до 1814 г. проф. И.А. Двигубский. Им же был издан в 1808 г. первый в России учебник по технологии под названием "Начальные основания технологии, или краткое показание работ на заводах и фабриках производимых" (экземпляр этой книги хранится в Российской государственной библиотеке). В те же годы адъюнктом А.Х. Чеботаревым читается курс "Химические основания политехнических наук". Кафедрой последовательно руководили профессора Ф.А. Денисов (1815-1830), П.И. Страхов (1833-1835), М.Я. Киттары (1857-1869), И.А. Архипов (1979-1883), И.И. Канонников (1884-1886), Н.Н. Любавин (1886-1906), А.М. Настюков (1906-1930). В 1930 г. химический факультет, а с ним и кафедра, в то время называвшаяся кафедрой технологии и технической химии, влился вместе с другими вузами химического профиля в Единый Московский Химико-Технологический Институт (ЕМХТИ). Химический факультет вскоре же вернулся в состав университета, но технологическая кафедра вместе с ее ценными коллекциями была университетом потеряна. Лишь в 1946 г. было принято решение воссоздать кафедру химической технологии, и на заведование кафедрой был приглашен С.И. Вольфкович.

История становления и развития химической технологии как научной дисциплины включает в себя несколько этапов, характеризующихся глубоким изменением господствующей парадигмы в этой области знаний, т.е. сменой системы образов, или стереотипов мышления исследователя.

В Х1Х столетии химическая технология развивается преимущественно как описательная дисциплина, систематизирующая и обобщающая результаты непрерывного эмпирического поиска, происходившего в химических лабораториях и в условиях химического производства. Лишь после формирования ключевых разделов физической химии макроскопическая теория физико-химических явлений становится фундаментом химической технологии. Историческим триумфом взаимодействия физической химии и технологии стала разработка в 1911 г. промышленного процесса синтеза аммиака из азотоводородной смеси под давлением.

Однако в связи со сложным характером процессов, протекающих в химических аппаратах, вплоть до середины нынешнего столетия в разработке конкретных химических производств доминировал полуэмпирический подход, в основном опирающийся на инженерный опыт и интуицию.

В 60 - 70-е годы совершается переход к глубокой математической теории технологических процессов, базирующийся на использовании нового арсенала вычислительной техники. Количественная теория позволяет добиться кардинального повышения эффективности промышленных аппаратов. Современная фаза развития химической технологии отличается многоуровневым подходом к созданию перспективных технологических систем в увязке с решением глобальных энергетических и экологических проблем цивилизации.

Аналогичные этапы прослеживаются и в развитии кафедры химической технологии и в истории преподавания этой дисциплины в университете.

Академик Семен Исаакович Вольфкович (1896-1980) был выдающимся представителем той формации химиков-технологов, которая в своей деятельности опиралась прежде всего на инженерный опыт и интуицию. Примечательно, что С.И. Вольфкович подписывал в предвоенное время свои письма "инженер, профессор". В инженерном звании он видел особую характеристику творческой личности - способность решать практические задачи на уровне искусства.

С.И. Вольфкович возглавил университетскую кафедру химической технологии в 50 лет, имея уже огромный опыт работы в промышленности по освоению новых производств крупнотоннажной химии. Его наиболее крупные и широко известные работы относятся к химии и технологии фосфора, фосфорных солей и кислот. В 1922-1923 гг. он впервые в специально сконструированной крупной лабораторной печи исследовал процесс электротермической возгонки фосфора из отечественных фосфатов и низкокачественных фосфоритов. Печь находилась в одной из лабораторий старого здания Московского университета на Моховой, куда однажды вечером зашел погреться и переночевать приехавший из Ленинграда поработать в библиотеке геолог А.Е. Ферсман. Эта встреча сыграла немаловажную роль в истории освоения отечественного фосфатного сырья. Спустя десятилетие С.И. Вольфкович разрабатывает первые химико-технологические процессы перерабки хибинских апатитов, открытых на Кольском полуострове А.Е. Ферсманом.

В 30-е годы С.И. Вольфкович активно участвовал в освоении производства калийных удобрений на Урале (пуск Соликамского калийного комбината), руководил созданием производства синтетического аммиака на Чернореченском химическом заводе, проводил серию крупномаcштабных экспериментов по синтезу карбамида и других азотных соединений. В годы войны возглавлял научную химическую секцию Государственного комитета по обороне и выполнял ряд работ оборонного значения.

Имея к моменту организации кафедры большой опыт педагогической работы в технических вузах (с 1929 по 1942 г. - профессор технологического факультета Московского института народного хозяйства, профессор химического факультета МВТУ им. Н.Э. Баумана, профессор и начальник кафедры общей химической технологии Военной академии химической защиты), С.И. Вольфкович уделил немало времени поиску оптимального университетского курса химической технологии и в течение более 30 лет руководства кафедрой активно выступал на страницах вузовских и академических изданий с разъяснениями особенностей чтения этого курса: "так как университеты готовят главным образом исследователей и педагогов, а не работников производства и проектно-конструкторских организаций, то преподавание химической технологии должно быть направлено на вопросы синтеза и анализа, на расчетные и поисковые экспериментальные физико-химические исcледования для определения оптимальных условий протекания химических реакций, производственных процессов и свойств продукции. Не менее актуальной задачей преподавания является ознакомление студентов с методическими основами и приемами перехода от лабораторных и расчетных исследований к промышленному производству".

Преподавание химической технологии было поставлено С.И. Вольфковичем на самую солидную основу. Сложившаяся в то время на химическом факультете структура учебного процесса, утвержденная затем для всех университетов страны, сохранилась неизменной вплоть до наших дней: лекции, лабораторный практикум, расчетные занятия и производственная практика. Особенно много энергии было затрачено С.И. Вольфковичем на организацию производственной практики студентов на базе крупнейших химико-технологических центров. Практика включала анализ техноэкономических показателей деятельности отдельных цехов. При правильной, продуманной заранее и согласованной с производством программе практика способствовала расширению кругозора не только выпускников университета, но и преподавателей - руководителей практики. Широкую известность получил великолепно изданный учебник по общей химической технологии под редакцией С.И. Вольфковича в 2-х томах (1953 и 1959 гг.)

Приходится, однако, констатировать, что смена парадигмы химической технологии, а именно переход в 60-70-е годы к глубокой математизации и теоретическим обобщениям в технологической науке не получили должного отражения в деятельности кафедры химической технологии. Ряд исследователей условно датируют начало этого периода выходом в свет капитального руководства Р. Берда, В. Стьюарта и Е. Лайтфута "Явления переноса" (1960 г.).

Достижения ряда крупных зарубежных и отечественных научных школ в этот период отчетливо показали, что объективные потребности развития технологии ведут к формированию вполне самостоятельного и глубоко содержательного уровня теоретического исследования объектов материального мира - с более сложной структурой и механизмами функционирования, чем традиционные объекты классической макроскопической теории физико-химических явлений. Так, типичными для химической технологии являются системы с регулярным относительным движением взаимодействующих диспергированных сред. Действительно, подавляющая часть технологических операций по химическому превращению веществ или разделению смесей веществ включает в себя межфазный перенос вещества и энергии, интенсивность которого определяется развитостью поверхности контакта фаз. Последовательный теоретический анализ такого рода систем наталкивается на принципиальные трудности, связанные со сложной геометрией межфазной поверхности и невозможностью строгого определения индивидуальных объемных и поверхностных свойств каждой из контактирующих фаз вследствие высокой дисперсности. Для построения адекватных и в то же время достаточно конструктивных моделей процессов в гетерогенных средах необходимо прибегнуть к тому или иному способу осреднения свойств контактирующих фаз и потоков. И этот переход на "надмакроскопический" уровень теории по своему фундаментальному характеру может быть сопоставлен с переходом от статистики молекул к классической модели сплошной гомогенной среды. Осредненные математические модели технологических объектов бесконечно многообразны; соответственно отличаются разнообразием и экспериментальные методы их идентификации и использования для оптимизации технологических процессов.

Позитивным шагом в плане установления связи между курсами физической химии и химической технологии было включение в 1977 г. в учебную программу факультета, при активной поддержке тогдашнего декана И.В. Березина, нового курса "Химическая макрокинетика". Курс был разработан воспитанником кафедры физической химии М.С. Сафоновым. После прихода на заведование кафедрой химической технологии акад. В.А. Легасова (1983 г.) этот курс вошел в качестве базовой составной части в обновленный курс химической технологии.

Академик В.А. Легасов (1936-1988) был носителем и ярким выразителем современной фазы развития технологии, характеризующейся тем, что синтез (создание) новых технологических систем ведется в рамках общей стратегии экологической безопасности и долговременного обеспечения экономики сырьевыми и энергетическими ресурсами, причем эти задачи решаются на базе дальнейшего углубления теоретического аппарата технологической науки. Несмотря на относительно молодой возраст, В.А. Легасов имел весьма влиятельные позиции в советской научной иерархии, прежде всего как первый заместитель директора крупнейшего Института атомной энергии им. И.В. Курчатова, пост директора в нем занимал авторитетный руководитель советской науки, Президент Академии наук СССР А.П. Александров. Большой фотографический портрет А.П. Александрова находился на видном месте в его кабинете на кафедре. Обладая полнотой информации по стратегическим вопросам соперничества СССР и Запада, В.А. Легасов остро осознавал и переживал нараставшее стратегическое технологическое отставание страны, и прежде всего, - в сфере разработки новых поколений ресурсосберегающих технологических систем. Именно поэтому он отнесся к работе на факультете с огромной ответственностью, ставя задачу обеспечить такую технологическую подготовку выпускников университета, которая способствовала бы воспитанию химиков - исследователей широкого профиля, способных к активной работе по преодолению технологического отставания страны.

В 1986 г. им была организована специлизированная учебная группа "Физико-химия перспективных процессов и материалов и ядерно-химических методов исследования". Валерий Алексеевич не делал секрета из своего желания сделать эту группу центром по воспитанию специалистов, которые обладали бы "..... умением осуществлять квалифицированную химическую экспертизу технологического процесса, вскрывая его сильные и слабые стороны, способностью оценить технологическую и потенциальную экономическую значимость фундаментальной разработки, .... знанием механизмов внедрения химических идей в технологию, пониманием причин, по которым одни химические идеи оказались более перспективными, чем другие...".

В работе с этой группой активное участие приняли профессор Ю.Д. Третьяков, доцент Л.В. Кубасова, ведущие сотрудники лаборатории криохимической технологии, входившей в то время в состав кафедры химической технологии. После того, как Ю.Д. Третьяков стал во главе кафедры неорганической химии, эта группа перешла под кураторство кафедры неорганической химии и изменила свой профиль за счет усиления материаловедческой проблематики.

С первых шагов своей деятельности на кафедре В.А. Легасов подчеркивал свою особую озабоченность растущей опасностью для человека и биосферы со стороны технологических систем, число и мощность которых непрерывно увеличивается. В.А. Легасов пришел к выводу, что "в нашей отечественной науке произошел пропуск целой области научного знания, которая сейчас получила название промышленной безопасности" (цитируется по его последней публичной лекции), и выступил еще до Чернобыльской трагедии с целым рядом инициатив с целью ликвидации этого белого пятна в отечественной науке. В духе нового понимания проблемы читаемый силами кафедры прежний описательный, фактологического характера, курс лекций "Охрана природы" был трансформирован в современный курс "Безопасность химических производств для человека и окружающей среды" (лектор проф. Р.Г. Азиев).

Вовлеченность В.А. Легасова в проблематику техногенных катастроф оказалась узловым моментом его личной судьбы. "За мужество, стойкость и героизм, проявленные при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС" (цитируется текст указа Президента России от 18.09.1996 г.) В.А. Легасову посмертно, спустя десятилетие после катастрофы, присвоено звание Героя России.

В.А. Легасовым были предприняты энергичные шаги по усилению компьютерного оснащения кафедры и более полному освещению в учебном курсе теоретических вопросов макрокинетики химических процессов и методологии математического моделирования химико-технологических систем. Была поставлена задача добиться высокого уровня информационного обеспечения кафедры на основе компьютерных банков данных. К сожалению, далеко не все начинания В.А. Легасова оказались реализованными; не дошло дело до планировавшегося оснащения кафедры современным оборудованием и опытными стендами.

Краток был срок его руководства кафедрой (с 1983 по 1988 г.). При этом часть времени ушла на решение вопросов реорганизации после объединения, оказавшегося временным, кафедр химической технологии и радиохимии (1985); а затем последовала полная вовлеченность В.А. Легасова в работы по ликвидации последствий Чернобыльской аварии, тяжелая болезнь, вызванная полученной в Чернобыле высокой дозой радиации, и последовавшее под воздействием болезни решение покончить с жизнью в день второй годовщины аварии.

В 1989 г. последовало разъединение кафедр радиохимии и химической технологии, и кафедра химической технологии пережила затяжной период организационной неопределенности и размежевания коллектива. В период 1991-1994 г. должность заведующего кафедрой занимал проф. А.С. Чеголя. С 1996 г. кафедрой заведует проф. М.С.Сафонов - руководитель одного из сложившихся при В.А. Легасове направлений и активный участник проходившего преобразования учебного процесса.

К настоящему времени на кафедре сложились контуры гармоничной структуры научных подразделений, благоприятствующей тому, чтобы на кафедре последовательно развивался современный многоуровневый подход к решению фундаментальных задач химической технологии. В наши дни поисковые исследования, направленные на синтез наиболее эффективных и экологически безопасных технологических систем, ведутся в мире единым фронтом на нескольких "этажах" технологической науки: разрабатываются новые конструкционные и функциональные материалы; на их основе создаются новые процессы в соответствующем аппаратурном оформлении; с использованием новых процессов и материалов синтезируются термодинамически более совершенные технологические схемы материального производства.

В настоящее время на кафедре работает 42 сотрудника (6 докторов, 18 кандидатов наук). В состав кафедры входят три научно-исследовательские лаборатории.

Исследования лаборатории теоретических основ химической технологии (заведующий профессор М.С. Сафонов) сосредоточены на поиске неиспользуемых ресурсов энергии в технологических системах различного типа, скрытых в возможности снижения степени необратимости химических и транспортных (перенос массы, энергии и импульса) процессов. Можно выделить три взаимосвязанных направления работы.

Первое направление – синтез термодинамически наиболее благоприятных, идеальных траекторий ( в пространстве температура – давление – состав ) химических превращений, лежащих в основании энергетики и химической промышленности (окисление углеводородного топлива, паровая конверсия метана). Параллельно исследуется макрокинетика каталитической конверсии природного газа в нестандартных условиях.

Второе направление связано с теоретическими и экспериментальными исследованиями экологически чистых рабочих тел (рабочих пар адсорбент – адсорбтив) адсорбционных тепловых насосов. Такие устройства найдут применения для утилизации низкопотенциальной теплоты, сбрасываемой промышленными предприятиями, а также в безфреоновых (не разрушающих озоновый слой) холодильниках.

Третье направление - разработка гетерогенных каталитических реакторов и адсорбционных аппаратов с иерархически организованной структурой транспортных каналов в объеме гетерогенной среды. Такие контактные системы обеспечивают высокую площадь активной поверхности на единицу объема аппарата при малых потерях механической энергии на прокачку газовой (жидкой) смеси через аппарат. Моделирование этих систем основано на совместном использовании уравнений газо- (гидро)динамики и фильтрации.

В лаборатории безопасности химических производств (заведующий, ведущий научный сотрудник А.А. Швыряев), разрабатываются научные основы безопасности функционирования промышленных систем, включающие количественную оценку риска промышленных объектов для предупреждения возникновения аварийных ситуаций; планирование химико-технологических и организационных мероприятий для повышения безопасности химических производств; создание экспертных систем для анализа риска; проведение региональной оценки риска в промышленных районах с учетом систематических выбросов предприятий и транспорта, а также возможных аварийных ситуаций в регионе; экспертную оценку возможных ущербов для предприятий и населения от производственной деятельности для различных форм страхования. Оценка риска позволяет количественно определять и сравнивать разнородные опасности в единой шкале, ранжировать объекты по степени опасности и выделять приоритеты на стадии принятия решений.

По разработанным в лаборатории методикам проведена оценка риска целого ряда промышленных объектов: Астраханский и Оренбургский газоперерабатывающие заводы, продуктопроводы по перекачке сжиженных углеводородных газов, нефтепроводы АК "Транснефть", терминалы сжиженных газов в составе портов и заводов, терминал по уничтожению химического оружия, промышленные установки по добыче газа и конденсата на полуострове Ямал.

Следует отметить, что интерес к работам по оценке риска в нашей стране в последние годы значительно возрос. Это подтверждается принятием семи федеральных законов за последние пять лет, требующих оценивать риск для населения и персонала предприятий. Развитие страхового бизнеса в России также нуждается в специалистах в области промышленной безопасности, выпуск которых в настоящее время явно недостаточен.

В лаборатории технологии функциональных материалов (заведующий профессор Б.И. Лазоряк) ведутся исследования по созданию материалов для систем преобразования энергии. Сотрудниками лаборатории разрабатываются алгоритмы для моделирования состава, строения и свойств таких материалов. С применением разработанных алгоритмов впервые предсказан и синтезирован ряд новых соединений, способных удерживать в кристаллической решетке катионы с разными степенями окисления и размерами (Fe²⁺/Fe³⁺, Cu⁺/Cu²⁺, Ce³⁺/Ce⁴⁺). Предсказаны и исследованы обратимые окислительно-восстановительные реакции, которые протекают многократно без разрушения кристаллических решеток. Такие соединения могут найти применение в качестве интермедиаторов в процессах преобразования энергии газообразного топлива, катодных материалов для топливных элементов, высокотемпературных протон-проводящих материалов, сенсорных материалов с оптическим принципом действия или материалов для очистки газовых смесей от малых количеств водорода.

В лаборатории также ведутся исследования (руководитель проф. Г.Ф. Бебих) по кинетике термоокислительной деструкции полимеров и разработке полифункциональных ингибиторов окисления на основе производных фосфорных кислот и аминосоединений. Кроме того, проводятся работы по защите металлов от коррозии в различных агрессивных средах. Ряд результатов этих работ внедрен в производство.

В исследованиях, проводимых в лаборатории, самое активное участие принимают аспиранты и студенты не только химического факультета, но и Высшего колледжа наук о материалах при МГУ.

На кафедре ведется активная учебно-методическая работа: в обновленной редакции профессора М.С. Сафонова и доцента Л.В. Кубасовой вышла программа курса "Химическая технология", утвержденная Советом по химии УМО университетов для университетов РФ, издано учебное пособие для студентов и аспирантов университетов "Избранные главы химической технологии. Вып. 1. Критерии термодинамического совершенства технологических систем" (автор М.С. Сафонов); подготовлены к изданию методические разработки по новым задачам лабораторного практикума, утверждена УМО по химии новая примерная программа по дисциплине "Техногенные системы и экологический риск", составленная проф. Р.Г. Азиевым с соавторами, подготовлена новая программа учебно-производственной практики и методические разработки (проф. Г.Ф. Бебих и доц. В.В. Меньшиков).

По представлению кафедр неорганической химии и химической технологии Ученый Совет химического факультета учредил премию имени академика В.А. Легасова студентам 4–5 курсов по номинациям:

• "за исследования и идеи в области химии и технологии новых неорганических материалов"
• "за исследования в области ресурсо- или энергосберегающих технологий; экологической безопасности действующих или создающихся предприятий и производств".

В 1999 году были награждены первые три лауреата премии.

Кафедра постоянно стремится повышать роль интегрирующих учебных дисциплин, которые она ведет, - химической технологии и безопасности химических производств, - в общих рамках университетского химического образования. Именно курс химической технологии призван вносить весомый вклад в воспитание у выпускников университета способности творчески участвовать в разработках по эффективному использованию результатов базовых исследований в создании новых технологических схем, новых процессов, конструкционных и функциональных материалов. Оба курса в совокупности должны раскрывать тенденции эволюции "больших" технологических систем, обеспечивающих общество энергоносителями и основными типами материалов и продуктов; отражать технологические аспекты программ долговременного устойчивого развития цивилизации. При этом важен не отраслевой, а комплексный подход к проблемам развития техносферы, т.е. всей совокупности технологических систем, использующих химический передел вещества (энергетика, информатика, транспорт, металлургия и т.д.).

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]