План

1. Хімія як основа сучасних матеріалів

1. Хімія як основа сучасних матеріалів

Протягом усього свого розвитку, з давніх-давен і донині, хімія завжди слугувала і продовжує слугувати людині та її практичній діяльності.

Ще в стародавні часи люди­на спостерігала в природі хімічні явища і намагалася викорис­товувати їх для покращення умов свого існування. Скисання молока, бродіння солодкого соку плодів, дія отруйних рослин привертали увагу людини.

Минув час, і людина почала використовувати вогонь. Ніхто не знає ні місця, ні часу, коли вона навчилася запалювати дерево і підтримувати горіння. Невідомо також, скільки часу минуло відтоді, як людина почала використовувати вогонь для приготування їжі, у гончарному виробництві, для обробки й виплавляння металів. Проте відомо, що ще у стародавньому Єгипті виникли ремесла, в основі яких лежали хімічні процеси.

Єгиптяни добували фарби і косметичні засоби з мінералі них речовин, уміли фарбувати тканини, виготовляти скло, кераміку, порцеляну, добувати золото, бронзу, залізо, мідь і досконало володіли технікою обробки металів.

У середні віки великого поширення набула алхімія. Головне завдання її зводилося до пошуків «філо­софського каменя» — містичної речовини, яка нібито має здатність неблагородні метали перетворювати на золото, по­вертати людям молодість і здоров'я.

Проте й у алхіміків були значні прогресивні здобутки, по­в'язані з використанням хімії на благо людини. До них можна віднести відкриття низки речовин (фосфору, стибію, селітри сульфатної, хлоридної, нітратної та фосфатної кислот) і розробку методик багатьох операцій (фільтрування, перегонка ре­човин тощо), які швидко знайшли практичне застосування.

Період ятрохімії, що настав у XVI—XVIII століттях, харак­теризується намаганням поставити хімію на службу медицині. Засновник ятрохімії Теофраст Парацельс (1493—1541) твердив, що справжнє покликання хімії не у добуванні золота, а у виготовленні ліків. Ятрохіміки розглядали хвороби як по­рушення хімічної рівноваги в організмі й шукали хімічні засо­би їх лікування. Відтоді головною метою хімії стає пошук і створення лікувальних препаратів.

Про значення сучасної хімії для людини та її практичної діяльності нема чого й говорити, її роль у житті суспільства звичайно велика. У наш час без розвитку хімії неможливий розвиток паливно-енергетичного комплексу, металургії, транспорту, зв'язку, будівництва, електроніки, сфери побуту тощо.

Хімічна індустрія постачає промисловості й сільському господарству різні матеріали та сировину. Це паливо, мастила, хімічні волокна, пластмаси, синтетичні каучуки, мінеральні добрива, мийні засоби, парфуми, фармацевтичні препарати, луги, кислоти, розчинники, вибухові речовини тощо.

Ми переконуємося, що «широко простягає хімія руки свої у справи людські. Куди не подивимось, куди не оглянемось, скрізь обертаються перед очима нашими успіхи ЇЇ старан­ності».

Ці слова великого російського вченого-природодослідника М. В. Ломоносова (1711—1765), висловлені майже 250 років тому, і сьогодні не втратили свого значення. Навпаки, вони звучать з особливою силою, оскільки у наш час роль хімії в житті суспільства постійно зростає.

Окрім застосування речовин і матеріалів, у різних галузях промисловості використовуються хімічні методи, наприклад каталіз, захист металів від корозії, обробка деталей хімічним способом тощо.

Проникнення хімічних методів, нових речовин і нових матеріалів у основні галузі промислового виробництва, сферу побуту, охорону здоров'я дедалі більшою мірою забезпечує їх прогрес. Саме тому й відбувається хімізація практично всіх сфер людської діяльності. Вона є об'єктивною закономірністю розвитку виробничих сил суспільства.

Водночас розвиток сучасного хімічного виробництва не­мислимий без монтажу установок, без електроніки, вимірю­вальної, керівної, регулювальної техніки, наукового приладо­будування, без розвитку сировинної бази та енергетичного господарства.

ЗНАЧЕННЯ ХІМІЇ У СТВОРЕННІ НОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Для здійснення кожного хіміко-технологічного процесу погрібна апаратура, виготовлена з таких матеріалів, які здатні опиратися різним агресивним впливам, у тім числі хімічним, механічним, термічним, електричним, часом і радіаційним та біологічним.

Хімія робить суттєвий внесок у створення різноманітних матеріалів: металічних і неметалічних. Серед металічних ма­теріалів найчастіше використовуються сплави на основі залі­за— чавун і сталь, на основі міді — латунь і бронза, на основі алюмінію, магнію, нікелю, ніобію, титану, танталу, цирконію та інших металів 3 металічних сплавів ви­готовляються теплообмінники, ємності, мішалки, трубопрово­ди, контактні апарати, колони та інші апарати.

Для поліпшення якості металічних матеріалів використо­вують порошкову металургію. Вона включає процеси вироб­ництва металічних порошків і спікання з них виробів. Сучасна порошкова металургія займається, по-перше, створенням ма­теріалів і виробів з такими характеристиками (склад, струк­тура, властивості), яких досі неможливо досягти відомими ме­тодами плавки; по-друге, виготовленням традиційних мате­ріалів і виробів, але за вигідніших техніко-економічних показ­ників виробництва.

У розробці теоретичних основ найважливіших процесів по­рошкової металургії провідне місце посідає Інститут проблем матеріалознавства НАН України. Перший в Україні (і в ко­лишньому СРСР) завод порошкової металургії став до ладу в м. Бровари (поблизу Києва) у 1965 р.

Серед неметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на основі фенолформальдегідних смол, полівініл­хлориду, поліетилену і фторопластів. Ці матеріали, на відміну від металічних, виявляють високу стійкість до агресивних середовищ, мають низьку густину, високу тривкість до стирання, добрі діелектричні й теплоізоляційні властивості. Окрім цього, важливе значення мають каучуки та різні мате­ріали на їх основі — бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучуки тощо.

До групи неметалічних матеріалів належать і такі тради­ційні матеріали, як кераміка, порцеляна, фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, які знаходять дедалі нове і нове використання

Останнім часом вимоги до матеріалів неухильно зроста­ють. Це пояснюється тим, що значно ширше застосовуються тепер екстремальні впливи — надвисокі й наднизькі тиски та температури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі випроміню­вання, ферменти. З огляду на це зростає також роль хімії у створенні нових матеріалів, здатних опиратися цим впливам.

Особливе місце серед нових матеріалів посідають компо­зити.

Композиційні матеріали, що складаються з пластичної основи (матриці) та наповнювача, називаються композитами.

Серед композитів виділяють кермети (кераміко-металічні матеріали), норпласти (наповнені органічні полімери) і піни (газонаповнені матеріали).

Як основу (матрицю) використовують метали і сплави, по­лімери, кераміку. Наповнювачі, що застосовуються, особливо для композитів на основі пластмас, значно різноманітніші. Від них залежить міцність і жорсткість композитів.

В Україні започатковані принципово нові методи добуван­ня композитів, наприклад на основі боридів металів (віднов­лення оксидів металів бором у вакуумі та карбідом бору). Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу й силіцію, а також безпосереднє відновлення оксидів металів силіцієм тощо. Багатьма своїми властивостями — міцністю, ударною в'язкістю, міцністю від утоми тощо — композити значно пе­ревищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби су­спільства в них і взагалі у нових матеріалах безперервно зростають. На виготовлення композитів витрачають великі кошти, цим пояснюється той факт, що головними спожива­чами композитів поки що є авіаційна і космічна промисло­вості.

ЗНАЧЕННЯ ХІМІЇ У РОЗВ'ЯЗАННІ СИРОВИННОЇ ПРОБЛЕМИ

Природа, що нас оточує, здається, є невичерпною коморою, з якої промисловість бере сировину. У міру розвитку науки і техніки дедалі більше нових корисних копалин використовується для добування продуктів виробництва, з'являються нові види сировини, розширюється сировинна база промис­ловості.

У зв'язку з бурхливим розвитком промисловості у XX ст. різко збільшився обсяг добування й переробки корисних копа­лин. За останні 40 років багатьох корисних копалин було видо­буто більше, ніж за всю історію людства. Тепер у світі щорічно вилучається й переробляється 100 млрд т гірських порід. А в хімічному виробництві як сировину використовують не лише гірські породи. Це призводить до того, що багато які сировинні джерела швидко виснажуються, внаслідок чого й виникає си­ровинна проблема. Уже тепер багато країн відчувають гостру нестачу окремих видів сировинних ресурсів. В Україні, напри­клад, не вистачає такої горючої мінеральної сировини, як наф­та і природний газ.

Багато рідкісних металів раніше не знаходили застосування через їх промислову недоступність, але потреби в цих металах атомної енергетики, мікроелектроніки, радіотехніки, космічної техніки, які сьогодні визначають науково-технічний прогрес, зробили можливим промислове добування розсіяних елемен­тів.

Комплексне використання сировини спрямовується на за­стосування всіх її головних частин для добування корисних продуктів або матеріалів. Це означає, що з одного виду сиро­вини можна добути велику кількість різних продуктів. Напри­клад, нині деревина використовується не лише як джерело виготовлення меблів, а й як джерело величезних матеріальних цінностей.