Представлены итоги научной, научно-технической и инновационной деятельности организаций Отделения химии и наук о Земле Национальной академии наук Беларуси, полученные в 2014–2018 гг. Показана их научная и практическая значимость.

Изучена адсорбционная способность на межфазных поверхностях раствор/воздух и раствор/минеральный материал бинарных смесей анионного (алкилбензолсульфокислота и ее натриевой соли (АБСКNa)) и неионогенного ПАВ (Твин-80). Установлено, что на адсорбционное взаимодействие бинарных смесей АПАВ/НПАВ с поверхностью кварца и доломита оказывает влияние наличие потенциалопределяющих ионов, активирующих поверхность минеральных материалов, заряд и гидратированность противоионов АПАВ, характер межмолекулярных взаимодействий между ПАВ-компонентами смеси. Показано, что смесь АБСКNa/Твин-80, характеризующаяся низкой адсорбционной способностью к исследуемым минеральным материалам и отсутствием взаимодействия между ПАВ-компонентами смеси, обладает максимальной нефтевытесняющей способностью с поверхности доломита и кварца.

Наночастицы состава Co_0,65Zn_0,35Fe₂O₄ получали методом распылительной сушки на воздухе в присутствии NaCl из раствора нитратов, а также из суспензии предварительно осажденных частиц. Полученные прекурсоры подвергали термообработке в диапазоне 300–900 °С в матрице инертного компонента с целью увеличения степени кристалличности без существенного роста размеров наночастиц. Микроструктуру, морфологию и магнитные свойства наночастиц исследовали методами РФА, ИК-спектроскопии, ПЭМ/СЭМ и магнитометрии. При получении ферритов из растворов солей происходит частичное окисление ионов Co²⁺ до Co³⁺, что приводит к образованию двух шпинельных фаз – феррита и кобальтита. С ростом температуры обжига доля кобальтита снижается, а феррита – растет. При распылении и последующем обжиге суспензий наночастиц формирования фазы кобальтита не происходит. Повышение температуры термообработки приводит к частичной рекристаллизации частиц и упорядочиванию кристаллической структуры феррита, что вызывает рост удельной намагниченности материалов: от 32,79 Ам² кг^–1 (до обжига) до 91,3 Ам² кг^–1 (обжиг при 900 °С). При этом средний диаметр наночастиц после термообработки не превышает 100 нм.

Разработан метод химического осаждения монокристаллических игл тиоиодида висмута BiSI, характеризующихся высокой, достигающей 55 %, квантовой эффективностью генерации фототока в водных растворах электролитов. Установлено, что введение сульфид- и иодид-анионов в раствор приводит к существенному увеличению абсолютных значений фототока, причем наличие сульфид-ионов вызывает значительный (около 0,5 В) сдвиг энергетических зон BiSI в направлении более отрицательных потенциалов. Обнаруженный эффект представляет интерес для повышения фотонапряжения солнечных элементов на основе BiSI и может найти применение в гетерогенно-сенсибилизированных системах для повышения эффективности инжекции фотоэлектронов из узкозонного сенсибилизатора в матрицу из широкозонного полупроводника.

Коррозия и защита металлов от коррозии по-прежнему остаются важнейшими научно-техническими, экономическими и экологическими задачами. В работе изучено влияние добавок молибдата натрия, метаванадата аммония, смеси молибдата натрия и метаванадата аммония, тиомочевины, ортофосфата натрия на коррозионное поведение горячеоцинкованной стали в нейтральной и слабощелочной хлоридсодержащей среде. Полученные весовым и электрохимическими методами экспериментальные результаты показали, что молибдат натрия, метаванадат аммония, смесь молибдата натрия и метаванадата аммония, тиомочевина, ортофосфат натрия проявляют ингибирующие свойства, уменьшая скорость коррозии горячеоцинкованной стали в нейтральной и слабощелочной хлоридсодержащей среде в 1,5–11 раз.

Установлено, что мембраны карбонат- и гидрофосфат-селективных электродов на основе высших четвертичных аммониевых солей предпочтительнее пластифицировать о-нитрофенилдециловым эфиром, мембраны сульфат-, селенат-, селенит-селективных электродов – 1-бромнафталином, сульфит-, молибдат-, вольфрамат-, тиосульфат-селективных электродов – дибутилфталатом. Использование оптимального пластификатора позволяет в целом уменьшить как нижний предел обнаружения электродов, так и значения коэффициентов селективности примерно на один порядок (в зависимости от мешающего иона). Дано качественное объяснение полученным результатам, исходя из теории Фуосса и модели Борна.

Исследована реакция сосновой живичной канифоли, скипидара и его компонентов (α-пинен, ∆³-карен, α-терпинен) с цитраконовым ангидридом и итаконовой кислотой. Показано, что α-терпинен, в отличие от α-пинена и ∆³-карена, взаимодействует с цитраконовым ангидридом с образованием ранее неизвестного продукта реакции циклоприсоединения, структура которого была установлена методом двумерной спектроскопии ЯМР. Скипидар и итаконовая кислота взаимодействуют с получением сложной смеси продуктов, в том числе эфиров терпеновых спиртов и итаконовой кислоты. Изучено взаимодействие канифоли и цитраконового ангидрида при 140–180 °С в течение 0,5–8 ч с использованием каталитических добавок H₂SO₄, MgCl₂, AlCl₃, FeCl₃ и получены новые канифольно-цитраконовые аддукты, содержащие до ~70 % цитраконопимаровой кислоты в виде двух изомеров С¹⁵–CH₃ и С¹⁶–CH₃ в эквимолярном соотношении. Установлено, что наиболее высокое содержание С¹⁵–CH₃ изомера цитраконопимаровой кислоты (35,5–36,0 %) в аддуктах достигается при проведении реакции сосновой живичной канифоли и цитраконового ангидрида при 180 °С в присутствии 1–2 мас. % H₂SO₄ в течение 4–8 ч. При температуре реакции 140–160 °С количество изомеров цитраконопимаровой кислоты в аддуктах уменьшается и составляет 30–50 %. Разработанные аддукты представляют интерес для создания импортозамещающих композиционных материалов различного функционального назначения (адгезивов, модификаторов полимерных композиций, в том числе резиновых смесей для производства шин, компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей и др.).

Осуществлен синтез новых несимметричных поли-π-сопряженных аминопроизводных бифенила и 3,5-диоксодибензотиофена, содержащих в основной цепи сопряжения фенилэтенильный и фторфенилэтенильный фрагменты, а в качестве центрального хромофора – циклические фрагменты. Вследствие наличия алкиламиновых заместителей для всех синтезированных соединений наблюдается батохромный сдвиг (на 15–25 нм) по сравнению с соединениями, не имеющими алкиламиновых заместителей. Полученные соединения являются люминофорами голубого свечения.

Изучено взаимодействие монооксигеназ человека и патогенных грибов с полученными ранее сложными эфирами изомерных 7-метил-19-нортестостеронов и ряда гетероароматических кислот – производных пиридина и пиразина. Показано взаимодействие с активным центром CYP11B1 производных стероидов андростанового ряда, содержащих метильную группу при С7 и остатки гетероароматических кислот при С17β.

Необходимость проведения геохимических исследований донных отложений обусловлена тем, что они позволяют оперативно оценивать состояние окружающей среды в пределах водосбора водотоков, так как состав донных отложений наследует геохимические черты компонентов окружающего ландшафта. В работе впервые представлены новые данные по содержанию в донных отложениях микроэлементов, сульфатов, хлоридов, нитратов, нефтепродуктов, СПАВ и фенолов, полученные при комплексных геохимических исследованиях в Брестской области. Установлены уровни концентраций определяемых ингредиентов для отложений основных типов водоемов. Отмечено максимальное накопление соединений азота, хлоридов, фосфатов и микроэлементов (никеля, кобальта, ванадия, хрома, меди, цинка и марганца) в отложениях рек, сульфаты и свинец концентрируются в большей степени в донных отложениях мелиоративных каналов. Построена карта загрязнения донных отложений территории Брестской области масштаба 1:200000. Установлено, что геохимическое состояние донных отложений в водоемах Брестской области находится в основном в удовлетворительном состоянии, степень загрязненности тяжелыми металлами оценивается как допустимая и только 3,0 % попадает в категорию опасного уровня загрязнения.

Анализируются тренды содержания свинца в атмосферном воздухе фоновых территорий и городов Беларуси по данным НСМОС и их соотношения с трендами содержания свинца в атмосферном воздухе городов и фоновых территорий Европы и США. Показаны четкие нисходящие тренды свинца в атмосферном воздухе фоновых территорий Беларуси: сокращение среднегодовых концентраций свинца составило за период с 1990 по 2015 г. 77 %. По данным измерений на станциях ЕМЕП в Европе, имеющих непрерывный ряд наблюдений свинца, с 1990 г. среднегодовое содержание свинца в атмосферном воздухе к 2013 г. сократилось в среднем на 86 %. Выражен нисходящий тренд содержания свинца в воздухе городов Беларуси и ряда стран Европы. Наиболее значительное сокращение содержания свинца произошло в США, где среднегодовая максимальная 3-месячная концентрация сократилась с 1990 по 2016 г. на 99 %. Проанализирована связь трендов уровней содержания свинца с трендами антропогенных выбросов. Показано, что существуют различия между замеренными концентрациями свинца и расчетными значениями по моделям переноса и рассеяния, что может быть обусловлено неполнотой инвентаризации выбросов свинца в ряде стран, а также значительным вкладом других, помимо антропогенных, источников поступления свинца в атмосферу. Для выявления причин этих расхождений, которые могут быть связаны с наличием неучтенных антропогенных источников, вторичными и природными источниками и другими факторами необходимы дополнительные исследования.

В результате исследования установлен характер влияния ускорителей отверждения (гетероциклический амин и цинксодержащий ускоритель) на структуру, физико-механические и защитные свойства покрытий на основе порошковых эпокси-полиэфирных композиций. Введение ускорителей в состав композиций влияет на глубину и скорость процесса отверждения пленкообразователей и обеспечивает возможность снижения температуры отверждения. Установлено, что применение гетероциклического аминного ускорителя более эффективно, чем цинксодержащего ускорителя. Для композиций, содержащих гетероциклический амин, наблюдается снижение времени гелеобразования и повышение комплекса физико-механических и защитных характеристик покрытий, которые оценивались по стойкости покрытий к статическому воздействию 3 %-ного раствора хлорида натрия. Показано, что изменения защитных свойств покрытий в зависимости от состава коррелируют со структурными параметрами полимерной пленки и обусловлены формированием пространственной структуры полимера с различной плотностью поперечных связей. Применение смесей исследованных ускорителей отверждения приводит к росту плотности пространственной сетки полимера, что обеспечивает высокие защитные свойства покрытий к действию агрессивных электролитов за счет снижения проницаемости агрессивных сред в материал покрытий. За 5000 ч испытаний не наблюдается очагов подпленочной коррозии и нарушения сплошности покрытий (пузыри, отслаивание, сморщивание, растрескивание) в сравнении с базовыми составами, не содержащими ускорители.

Обобщена информация о производстве и использовании фторсодержащих пенообразователей, предназначенных для пенного тушения пожаров с участием нефтепродуктов и других легковоспламеняющихся жидкостей, и экологических последствиях. Показано, что использование при их производстве поли- и/или перфторированных соединений привело к появлению в окружающей среде большой группы опасных химических веществ, в том числе перфтороктановой сульфоновой кислоты (ПФОС), пентадекафтороктановой кислоты (ПФОК), перфторгексановой сульфоновой кислоты (ПФГСК). Приведены общие сведения о фторсодержащих пенообразователях, их производителях и маркировках, свойствах, возможных объемах производства и применения в глобальном масштабе. Показано, что применение фторсодержащих пенообразователей при тушении пожаров, а также во время учебных тренировок приводит к непосредственному поступлению ПФОС, ПФОК и других фторсодержащих соединений в окружающую среду. Обсуждаются результаты исследований, выполненных в различных странах ЕС, Норвегии, США, Канаде и Австралии, свидетельствующие о высоких концентрациях ПФОС, ПФОК и других фторсодержащих соединений в подземных и поверхностных водах, а также в почвах. Наиболее высокие уровни загрязнения выявлены в местах применения фторсодержащих пенообразователей. Показана опасность поступления фторсодержащих соединений в организм человека с загрязненной питьевой водой и продуктами питания.