Роль хімії в створенні нових матеріалів

Роль хiмiї в створеннi нових матерiалiв План 1. Створення нових матерiалiв – необхiднiсть нашого сьогодення. 2. Металургiя: а. добування металiв з вторинної сировини; в. безперервне роз­ливання сталi; 3. Синтетичнi високомолекулярнi речовини (полiмери): б. пластмаси; в. папiр. 4. Керамiка. 5. Напiвпровiдники. 6. Висновок. Створення нових матер i ал i в – необх i дн i сть нашого сьогодення. Створення нових матерiалiв — це iстотна необхiднiсть нашого сьогодення. У сучасних технологiях часто застосову­ють високi тиски, температури й агресивну дiю хiмiчних речовин. Матерiали, якi використовуються, зокрема в маши­нобудуваннi, недостатньо стiйкi i мiцнi. Тому обладнання передчасно зношується, потребуючи частих замiн та ремонтiв. Нових матерiалiв вимагають i новi галузi технiки: космiчна, атомна тощо. Для практичних потреб необхiднi такi мате­рiали, як метали, полiмери, керамiка та композити. Металургiя З металiв найнеобхiднiшими i надалi будуть сталi. Загальнi тенденцiї виробництва сталi ви вже знаєте, тому розглянемо його перспективи. Технiчне переоснащення металургiйної промисловостi по­в'язане з переходом на виплавляння сталей в конвертерах i електропечах. Це зменшує вигар металу i розширює асор­тимент вироблених сталей. тримуючим фактором тут може бути дефiцит жаростiйких i вогнетривких матерiалiв. Важливим джерелом добування металiв є вторинна сиро­вина. Наприклад, при нинiшньому рiвнi рециркуляцiї мiдi її вистачить на 100 рокiв, а якщо його довести до 90 % — то на 300 рокiв. До того ж будiвництво малих металургiйних за­водiв, що працюють виключно на металоломi, показало їх високу ефективнiсть в експлуатацiї при добуваннi нових спе­цiальних видiв прокату. Серед рiзноманiтних способiв обробки металiв особливе мiсце займає порошкова металургiя. Вона полягає у форму­ваннi виробiв з металiчного порошку з наступним їх нагрi­ванням до спiкання частинок металу. Це перспективний ре­сурсозберiгаючий спосiб. У цьому виробництвi виключаються доменний i сталеплавильний процеси, прокатка, обробка ме­талiв рiзанням, тобто складнi енергоємнi процеси, екологiчно бруднi, з великими витратами теплоти i металу. для добування бiльш твердих i тугоплавких сталей. Щоб запобiгти виникненню дефiциту цих металiв, легування ведуть не 1—2 металами, а комплек­сом доступних чи бiльш поширених металiв — хрому, нiкелю i ванадiю. Пiдвищити жаростiйкiсть сплавiв вдається, крiм загартування, ультразвуковою обробкою розплавiв пiд час кристалiзацiї. Таким способом досягається пiдвищення робо­чої температури лопаток турбiн iз сплаву нiкелю з кобальтом вiд 880 до 1000 °С. Все бiльше впроваджують у металургiю безперервне розливання сталi, i повертати на переплавку. Безперервне розливання звiльняє вiд цiєї под­вiйної роботи, бо сплав утворюється бiльш однорiдний. У перспективi поєднуватиметься безперервне лиття з вакууму-ванням, лиття i кристалiзацiя в магнiтному полi, що вже застосовується для сплавiв алюмiнiю. плазмової металургiї. З фiзики ви вже знаєте про плазмовий стан речовини, про властивостi i застосування плазми. У металургiї пiд впливом плазми вiдбувається термiчна дисоцiацiя руди, реагуючi ре­човини швидко утворюють гомогенну систему. Пiд дiєю плаз­ми не тiльки iнтенсифiкується вiдновлення залiза, а й скоро­чується металургiйний цикл: двостадiйний процес (домна, конвертер) стає одностадiйним (пряме вiдновлення), необ­хiднiсть шихтування й агломерацiї руди вiдпадає. Плазмова металургiя дає змогу переробляти руди комплексно, а це спосiб розв'язання проблеми безвiдхiдних виробництв у мета­лургiї. особливо чистi метали. -6 — 1 • 10-7 %. До 1925 р. увесь титан у свiтi мав 0,5 — 5 % домiшок, його технологiчно не можна було оброб­ляти. Тепер добуто чистий титан, який кується, витягується в дрiт, а при прокатуваннi утворюються листи й навiть фольга. Саме добування чистих цирконiю i танталу дало можливiсть запровадити їх у машинобудування й атомну енергетику. Синтетичнi високомолеку­лярнi речовини Базова роль металiв у конструкцiях машин зберiгається. Але все бiльше використовують синтетичнi високомолеку­лярнi речовини (полiмери). матерiали з iншими важливими якостями. Деякi з них мають велику мiцнiсть на розрив — до 2000 кг/мм2 i термостiйкiсть до 1000 °С. Головною проблемою полiмерiв є їх ще явно недостатня довговiчнiсть. Неможливо нинi уявити собi економiку i повсякденне жит­тя без синтетичних каучукiв, без хiмiчних волокон, з яких виготовляють не тiльки одяг, а й вироби технiчного призна­чення (капроновi деталi, риболовецькi сiтки тощо). впроваджуються у вироб­ництво деревинно-стружкових i деревинно-волокнистих плит, якi використовують для оздоблення примiщень. та мiкроорганiзми, з'їда­ють багато видiв комах. Хiмiки постiйно працюють над удосконаленням паперу, пiдвищенням його мiцностi. Зокрема, в папiр вводять син­тетичнi волокна (лавсан, нiтрон, полiпропiлен, вiнол). Папiр з акрилових волокон не боїться розведених соляної, азотної i сiрчаної кислот. Його можна використовувати як електро­iзолятор в агресивних середовищах до температури 130 °С. Папiр на основi фторопласту (тефлону) не чутливий до дiї кислот i лугiв. Дуже мiцний i хiмiчно стiйкий папiр iз нейлонових i полiефiрних волокон, з нього виготовляють фiльтри для агресивних рiдин. Єдиний недолiк паперу iз синтетичних волокон, як i iнших видiв нецелюлозного паперу,— висока його вартiсть. Целюлозний папiр, що мiстить 20—30 % графiтового во­локна, проводить електричний струм i в той же час має великий опiр. Папiр iз чистого вуглецю вiдзначається високою хiмiчною стiйкiстю i малою теплопровiднiстю. Вiн є основою шаруватих пластикiв для виготовлення апаратiв, що працю­ють пiд високим тиском i при високих температурах, i як упаковка при транспортуваннi радiоактивних iзотопiв. Керамiка Пiсля металiв та полiмерiв третiм за значенням матерiалом останнiм часом називають iнтервалах. Серед керамiчних матерiалiв є iзолятори i надпровiдники. Порiвняно з металами й полiмерами керамiчнi матерiали стiйкiшi проти зносу, корозiї i радiацiї. Головним є те, що керамiка доступна й має невичерпнi джерела сировини. До керамiчних матерiалiв вiдносять карбiди i нiтриди силiцiю, оксиди алюмiнiю та магнiю тощо. З них виготовляють форми для литва, сопла ракет, турбiн, футерують печi тощо. Важ­ливим технiчним завданням є створення керамiчних газо­турбiнних, дизельних двигунiв i двигунiв внутрiшнього зго­ряння рiзного призначення. Новими й перспективними матерiалами стають композити. Це неоднорiднi (гетерогеннi) системи, що мають матрицю (метал, сплав, полiмер, керамiка) i наповнювач (порошок, стружка, волокно), якi перебувають у фiзико-хiмiчнiй взає­модiї. Композицiйнi матерiали мiцнi i жаростiйкi. Так, ком-позит iз 80 % сплаву залiзо-нiкель-кобальт-хром i 20 % нiтра­ту силiцiю використовують у теплообмiнних апаратах, газових турбiнах, ракетних двигунах, бо вiн жаростiйкий (до 1100 °С). Велике майбутнє у напiвпровiдникiв , якi виготовляють з речовин високої чистоти. Матерiали для радiоелектронiки (силiцiй, германiй тощо) та атомної енергетики (уран, цир­конiй, берилiй, графiт) не повиннi мiстити домiшок бiльше як 1 • 10-4 — 1• 10- 5 %. Величезнi споруди, деталi космiчних i пiдводних кораблiв, найточнiшi оптичнi прилади неможливо створити без скла. Звичайне, або вiконне, скло має чимало вад: легко б'ється, трiскається вiд незначного перепаду температур. Це не може задовольнити потреби науки, технiки i навiть побуту. Сучасна хiмiчна технологiя створила цiлу низку матерiалiв зi скла з найрiзноманiтнiшими сферами використання. Розглянемо де­якi приклади. Введення мiнiмальних кiлькостей сполук Феруму(ІІІ), Плюмбуму, Титану i Хрому дало змогу добути скло, яке добре пропускає ультрафiолетовi променi. Тому його використову­ють у будiвництвi солярiїв, зимових садiв, плавальних басей­нiв. А скло з пiдвищеним вмiстом сполук металiв затримує ультрафiолетовi променi. Так, сполуки Феруму(II) надають склу властивостi затримувати тепловi й iнфрачервонi променi i тому в примiщеннях з таким склом завжди прохолодно. Скло, яке мiстить пiдвищену кiлькiсть важких металiв, непрозоре для радiацiї, тому годиться для виготовлення огля­дових вiконець у «гарячих зонах» атомних реакторiв. При загартуваннi скла вдалося добути дуже мiцний ма­терiал. У нашiй державi його називають сталiнiт. Вiн пруж­ний, як стальна пружина, лист сталiнiту витримує удар ча­вунної кульки масою в 1 кг з метрової висоти, яка вiдскакує вiд його поверхнi, як вiд кам'яної плити. Багатошарове скло, виготовлене з тонких (0,05 мм) листiв скла (50 i бiльше листiв) за допомогою спецiального клею, стiйке проти ударiв куль, мiкрометеоритiв, глибинних та космiчних тискiв, рiзних пере­падiв температур. Особливої уваги заслуговують склокристалiчнi матерiали, добутi введенням у розплавлене скло каталiзаторiв, головним чином ТiО2 , якi викликають утворення центрiв кристалiзацiї. Такi частково закристалiзованi стекла назвали ситалами . Деякi види ситалiв добувають на основi металургiйних або паливних шлакiв (шлакоситали). Це мiцнi, хiмiчно i термiчно стiйкi матерiали з малим тепловим розширенням, добрi дiелектрики, деякi їхнi кращi зразки мiцнiшi високовуглецевої сталi. Нинi властивостi таких матерiалiв iнтенсивно вивчають ся, вони мають великi перспективи використання в будiв­ництвi, хiмiчнiй промисловостi, оптицi i навiть у авiацiї. Порiвняно новими матерiалами є склопластики, якi добу­вають iз скломаси i смол. Цей монолiт в 3—4 рази мiцнiший за звичайну сталь, в 4 рази легший за неї, не пiддається корозiї. З нього виготовляють вагони, корпуси кораблiв i навiть ракети. Висновок Для здiйснення кожного хiмiко-технологiчного процесу потрiбна апаратура, виготовлена з таких матерiалiв, якi здатнi опиратися рiзним агресивним впливам, у тiм числi хiмiчним, механiчним, термiчним, електричним, часом i радiацiйним та бiологiчним. мiдi — латунь i бронза, на основi алюмiнiю, магнiю, нiкелю, нiобiю, титану,танталу, цирконiю та iнших металiв. З металiчних сплавiв ви­готовляються теплообмiнники, ємкостi, мiшалки, трубопрово­ди, контактнi апарати, колони та iншi апарати. Для полiпшення якостi металiчних матерiалiв використо­вують порошкову металургiю. Вона включає процеси вироб­ництва металiчних порошкiв i спiкання з них виробiв. Сучасна порошкова металургiя займається, по-перше, створенням ма­терiалiв i виробiв з такими характеристиками (склад, струк­тура, властивостi), яких досi неможливо досягти вiдомими ме­тодами плавки; по-друге, виготовленням традицiйних мате­рiалiв i виробiв, але за вигiднiших технiко-економiчних показ­никiв виробництва. металургiї став до ладу в м. Бровари (поблизу Києва) у 1965 р. Серед неметалiчних матерiалiв важливого значення набули полiмери на основi фенолформальдегiдних смол, полiвiнiл­хлориду, полiетилену i фторопластiв. Цi матерiали, на вiдмiну вiд металiчних, виявляють високу стiйкiсть до агресивних середовищ, мають низьку густину, високу тривкiсть до стирання, добрi дiелектричнi й теплоiзоляцiйнi властивостi. Окрiм цього, важливе значення мають каучуки та рiзнi мате­рiали на їх основi — бутилкаучук, фторкаучук, силiконовi каучуки тощо. Останнiм часом вимоги до матерiалiв неухильно зроста­ють. Це пояснюється тим, що значно ширше застосовуються тепер екстремальнi впливи — надвисокi й наднизькi тиски та температури, ударнi й вибуховi хвилi, йонiзуючi випромiню­вання, ферменти. З огляду на це зростає також роль хiмiї у створеннi нових матерiалiв, здатних опиратися цим впливам. Особливе мiсце серед нових матерiалiв посiдають компо­зити. Композицiйнi матерiали, що складаються зпластичної основи (матрицi) та наповнювача,називаються композитами. Серед композитiв видiляють кермети (керамiко-металiчнi матерiали), норпласти (наповненi органiчнi полiмери) i пiни (газонаповненi матерiали). Як основу (матрицю) використовують метали i сплави, по­лiмери, керамiку. Наповнювачi, що застосовуються, особливо для композитiв на основi пластмас, значно рiзноманiтнiшi. Вiд них залежить мiцнiсть i жорсткiсть композитiв. В Українi започаткованi принципово новi методи добуван­ня композитiв, наприклад на основi боридiв металiв (вiднов­лення оксидiв металiв бором у вакуумi та карбiдом бору). Освоєно метод прямого синтезу силiцидiв з металу й силiцiю, а також безпосереднє вiдновлення оксидiв металiв силiцiємтощо. Багатьма своїми властивостями — мiцнiстю, ударною в'язкiстю, мiцнiстю вiд утоми тощо — композити значно пе­ревищують традицiйнi матерiали, завдяки чому потреби су­спiльства в них i взагалi у нових матерiалах безперервно зростають. На виготовлення композитiв витрачають великi кошти, цим пояснюється той факт, що головними спожива­чами композитiв поки що є авiацiйна i космiчна промисло­востi. Як бачимо, роль хiмiї у створеннi рiзноманiтних матерiалiв, з яких ми розглянули лише деякi, дуже велика. i 1. Н. Н. Чайченко. Основи загальної Хiмiї. Київ. “Освiта” 1998. 2. Н. М. Буринська. Хiмiя. Київ. “Ірпiнь” 2000. 3. Велика iлюстрована енциклопидiя школяра. Київ. “Махаон Україна”.