Значення хімії у створенні нових матеріалів

10

Нові матеріали потрібні для квантових генераторів, лазерів, які породжують могутні промені, здатні різати, плавити, випаровувати, свердлити і посилати сигнали далеко за межі нашої планети. У нинішніх лазерах промінь генерується в кристалі штучного рубіну. Уже знайдено немало й інших речовин для генераторів.

Отже, розвиток техніки неможливий без винайдення нових матеріалів, що мають комплекс спеціальних властивостей, особливо високу механічну міцність і значну стійкість до високих температур при можливо невеликій густині. Потреба в таких матеріалах не обмежується авіа- і ракетобудуванням; усе ширше їх застосовують у найрізноманітніших галузях народного господарства.

Як же людина зуміла проникнути в секрети складу й будови найрізноманітніших матеріалів, створити штучні матеріали? Розглянемо це на прикладі алмазу. Першою людиною, яка дала правильне (хоча не повне) тлумачення про хімічний склад алмазу, був Ісаак Ньютон. Як би ми зараз не оцінювали передбачення Ньютона і чим би ми його не вважали - обґрунтованим твердженням або необґрунтованою здогадкою, факт залишається фактом: Ньютон вважав алмаз горючою речовиною.

У 1772 р. А. Лавуазьє довів, що алмаз горить так само, як сірка, фосфор, вугілля.

У 1797 р. було проведено такий дослід. Спалили однакові за масою кількості вугілля, графіту та алмазу. В усіх трьох випадках утворилися однакові кількості однієї і тієї самої сполуки - вуглекислого газу. Це дало змогу твердити, що алмаз складається з вуглецю.

У 1860 р. німецький учений Г. Розе дослідив явище обвуглювання алмазу та його перетворення в графіт.

Ще на початку 90-х років ХІХ століття було відомо, що алмаз, вугілля, графіт - це одна і та сама речовина - вуглець. Алмаз не піддається ніяким змінам при відносно малих температурах, а під час сильного нагрівання перетворюється в графіт. Густина алмазу - 3,5; графіту - 2,2; вугілля в середньому 1,3 г/куб. см, тобто, коли добувають алмаз, графіт необхідно піддавати високому тиску; в природі алмаз народжується в глибинах Землі, де дуже високі температури і тиски.

Таким чином, природа не тільки підтвердила необхідність високого тиску при добуванні штучного алмазу, а й підказала принциповий проект алмазообробної установки.

На перший погляд, здавалося б, що проблему розв'язано і можна приступати до промислового виготовлення брильянтів. У багатьох лабораторіях різних країн розпочалися досліди з добування штучного алмазу, одне за одним з'являлися повідомлення все нових і нових учених про вдалий синтез алмазу, проте алмазів не було.

У 30-х роках радянський вчений О.І. Лейпунський обчислив структуру алмазу і знайшов температуру, при якій атоми вуглецю повинні перебудовуватися з графітової структури в алмазну. Він поставив запитання: чи не перетворюватиметься графіт в алмаз при тій самій температурі, при якій алмаз найповніше перетворюється в графіт? Розрахунок ствердив це припущення. Так було створено графік - діаграму стану вуглецю при різних тисках і температурах. Криві показали: для перетворення графіту в алмаз, крім температури 200 градусів за Цельсієм, необхідний тиск не менший за (60-70)*100000 Н/кв.м тобто в сотні раз більший, ніж міг бути у розпорядженні тих, хто намагався добути штучний алмаз.

О. І. Лейпунський писав, що графіт являє собою кінетично більш вигідний шлях кристалізації вуглецю, ніж алмаз, і внаслідок цього єдино надійний спосіб його виготовлення - кристалізація або ріст кристалів, наявних в межах термодинамічної стійкості (при високих тисках) при температурі, коли можлива рекристалізація графіту. Для цього необхідне вдосконалення техніки одержання високих тисків і підбір середовища для кристалізації. В області, де алмаз менш стійкий, ніж графіт, можливими шляхами є: вирощування алмазу з розчину, який містить вуглець, гартування розплавленого вугілля (також при високому тиску), спіткання алмазної пудри. Отже, рецепт алмазу в загальному, був виписаний, залишилася техніка: тиск, температура.

У 1942 р. розрахунками було доведено, що для росту алмазу необхідно, щоб кількість атом азу необхідно, щоб кількість атомів вуглецю, які торкаються його поверхні або між собою, була не дуже великою, інакше вуглецеві атоми не надбудовуватимуть «помилкові» графітові комірки. Із цього випливає, що під час синтезу алмазу треба керувати не тільки температурою і тиском, а й кількістю самого вуглецю. Проте після публікацій у 1955 р. про синтез алмазів у США і Швеції стало ясно, що наукову частину завдання розв'язано, а повідомлення через два роки про випуск 100 тисяч каратів синтетичного алмазу підтвердило, що створено й заводську технологію його добування.

І от, наприкінці 1960 р. під збільшуваним склом засяяли вилучені з преса алмазні зернятка. Радянські вчені Л.Ф. Верещагін, Ю.М. Рябінін і В.А. Галактіонов за синтез штучних алмазів були удостоєні Ленінської премії.

У 1966 р. удалося добути полікристал алмазу. Синтез продовжується лише кілька секунд, і сантиметровий зразок утворюється зразу такої форми, яка потрібна, щоб встановити його в токарний різець, фрезу тощо.

Напружена праця людей, які взяли на себе завдання промислового виробництва алмазів, проводилася в Києві. Київські вчені розуміли, що намагалися виробляти синтетичні алмази без серйозних змін в уже досягнутому в зв'язку зі створенням алмазів, не можна. Перші київські алмази коштували по 135 крб. за карат, майже в 30 раз дорожче, ніж коштували на той час природні алмази. Наполеглива праця, експерименти, створення унікальної камери високого тиску виправдали себе. Починаючи з 1962 р. дешеві київські синтетичні алмази (в середньому по 1 крб. за карат) почали безперервно поступати на підприємства всіх галузей промисловості: виробництва тракторів і автомобілів, кераміки і волокна, кремнію і германію, різців і штампів, вимірювальних інструментів, кінескопів, годинників, взуття тощо. Штучні алмази застосовують для різання, заточування, шліфування та інших технологічних операцій, без яких не можна досягти високої якості виробів.

У широкому розумінні будь-який сучасний матеріал - це вже композиція, оскільки у чистому вигляді матеріал вживають надзвичайно рідко. Так, до пластиків, наприклад, добавляють наповнювачі. Не часто можна зустріти і чисті матеріали. Більше того, якщо розгледіти матеріали на атомному або молекулярному рівнях, то здебільшого вони полімерів - тільки перші її кроки. Саме в цій галузі людина зможе повною мірою розкрити свої творчі можливості щодо створення речовин, яких ще не було і немає в природі.

Кожної секунди навколо нас відбувається безліч хімічних реакцій. Ви пробігаєте очима ці рядки, уловлюєте їх зміст і в вашому мозку здійснюються сотні і тисячі різних хімічних реакцій. Різні хімічні процеси відбуваються з різною швидкістю. Одні завершуються миттєво (вибух), а інші так повільно (ржавіння металу), що на перший погляд здається, ніби реакція не відбувається. Багато факторів впливає на швидкість хімічної реакції, наприклад, температура, тиск, концентрація реагуючих речовин.

Не порушуючи герметичності посудини, введемо в неї тонкий платиновий дротик. Дротик нагрівається, а посудина наповнюється туманом - водяною парою. Температура і тиск залишилися незмінними, а реакція, розрахована на тисячоліття, відбулася за кілька секунд. Виймемо дротик з посудини. Він зовсім не змінився. Його зовнішній вигляд, хімічний склад, маса після досліду такі самі, як були до досліду. Отже, ми стали свідками дуже важливого явища в світі хімічних реакцій - каталізу. Речовина, в нашому випадку платина, яка в багато разів прискорює реакцію, зветься каталізатором.

Тому зараз у багатьох лабораторіях світу інтенсивно шукають нові ефективні каталізатори. Так, наприклад, широко застосовуються каталізатори на основі шаруватих силікатів. Вони багатофункціональні і проявляють свою активність у різних за характером хімічних реакціях. Каталізатори ж, добуті на основі особливого типу глинистих мінералів, забезпечують високий вихід продукту відносно вихідної сировини (24-25%).

На основі бетонів, скла, пластиків і гуми розвинуто технологію добування легких високо пористих металів з різною поруватістю, різними розмірами і характером пор, але разом з тим з більш високою міцністю. Такі матеріали із замкнутими порами мають чудові теплоізоляційні та звукоізоляційні властивості.

Пористими твердими тілами з дуже розвинутою поверхнею є адсорбенти і каталізатори, а також пористі плівки, що «дихають» - пропускають гази, але не пропускають води і є замінниками шкіри для взуття й одягу.

Незвичайні поруваті матеріали створили київські вчені. Ці матеріали використовують як молекулярні сита. Таке чудо-сито призначене для «просівання» молекул. Наскільки малі отвори повинно мати сито, щоб крізь нього вільно проходили молекули однієї речовини, і затримувалися іншої! Який же матеріал здатний «просіювати» молекули?

Деревне вугілля добре вбирає різні речовини завдяки своїй пористій структурі; воно пронизане величезною кількістю найтонших пор і каналів, стінки яких утворюють величезну вбирну поверхню (сотні квадратних метрів на один грам). Нині відомо багато таких речовин - адсорбентів. Їх широко застосовують у промисловості для очищення речовин від домішок, уловлювання пари бензину під час виготовлення гумових виробів тощо.

Київські вчені вирішили створити штучні сорбенти - молекулярні сита з заданою поруватістю та іншими цінними властивостями. Вони синтезували, такі сорбенти, в яких кількість, структура і розмір пор точно регламентовані. Отже, штучні сорбенти здатні пропускати чи затримувати молекули найрізноманітніших речовин у дуже широкому діапазоні, залежно від їх розмірів. Сита з найменшими порами пропускають молекули найрізноманітніших речовин у дуже широкому діапазоні, залежно від їх розмірів. Сита з найменшими порами пропускають молекули діаметром до чотирьох стомільйонних сантиметра, а з більшими - до тридцяти мільйонних сантиметра. Таким чином, молекулярні сита придатні для просівання і малих і великих молекул.

Та молекулярні сита мають ще одну дуже цінну властивість. Вони міцно «захоплюють» молекули певних розмірів у свої пори і «віддають» їх лише при нагріванні. Отже, якщо наповнити сита газами або леткими вогненебезпечними речовинами, вони перетворюються на надійні сховища або своєрідні «контейнери». Так можна зберігати небезпечні речовини протягом довгого часу і транспортувати їх на будь-які відстані.

Величезні споруди, деталі для космічних і підводних кораблів, найточніші оптичні прилади неможливі без скла, - матеріалу, який конкурує з найміцнішими металами та їхніми сплавами. Важко собі навіть уявити світ без скла. Скло, з якого виготовляють віконні шибки, називають звичайним. Та сучасні наука і техніка, побут не можуть задовольнитися тільки ним, оскільки воно має чимало вад. Таке скло легко б'ється, а від незначного перепаду температури тріскається. А ось домішки оксидів деяких металів, наприклад, магнію, калію, бору, алюмінію та інших надають йому термічної і хімічної стійкості. На основі майже чистого оксиду кремнію добувають кварцове скло, яке має дуже малий коефіцієнт термічного розширення, виключно термостійке, вільно пропускає ультрафіолетові промені.

Скло півночі, скло півдня. Рідке мило, різноманітне оптичне скло, скляні цеглини, волокна, тканини. Скло, яке не боїться жару. І все це - досягнення останніх десятиліть. Але сьогодні ми ще не дізналися про скло до кінця. Можливо, воно приховує в собі такі властивості, про які зараз ніхто і не підозрює.

Слід зазначити, що глина не така вже проста речовина, як здається на перший погляд. Щоб виготовити керамічні вироби, треба добре знати її фізично-хімічні властивості, процеси, що відбуваються під час формування глиняної маси та умови випалювання тощо. Неабиякої уваги вимагає вибір тривалості сушіння і швидкості випалювання кераміки, оскільки при цьому для керамічних виробів характерна так звана усадка (спікання) - зменшення їх розмірів порівняно з розмірами заготовок на 15-30%. Щоб зменшити усадку, застосовують двократне випалювання, коли вихідним матеріалом для виробів є попередньо випалена глина (порошок).

Новий розквіт, другу молодість знаменує собою технічна кераміка, без якої неможливі електроніка, ракетна техніка, атомна енергетика, квантова оптика, техніка високих температур і тисків. Від кераміки до техніки і від техніки до кераміки - такий шлях сьогоднішнього розвитку науково-технічного прогресу в галузі силікатних матеріалів. Це стало можливим завдяки застосуванню найновіших досягнень з фізики і хімії твердого тіла. Останнім часом з'явилися дивовижні керамічні матеріали з чистих оксидів урану, ітрію, тирану, рідкісноземельних та інших елементів. Слідом за ними було створено ферити, сегнетоелектрики, напівпровідники - суміш різних оксидів у певних співвідношеннях, перетворених у вироби за керамічною технологією.

Кераміку можна виробляти не тільки спіканням, а й плавленням. Для деяких потреб її поєднують з іншими матеріалами, наприклад металами. Отже, пройшовши через багато тисячоліть, кераміка не тільки не втратила свого значення, а навпаки, переживає свою другу молодість, мистецтво кераміки перетворюється зараз у науку. З кожним роком з'являються нові, досконаліші види кераміки, зростає її значення в народному господарстві. Одним з видів кераміки є фарфор. Мабуть, мало хто не знає, що з нього виготовляють чайний і столовий посуд; різноманітні вази, статуетки, архітектурні прикраси тощо. Цей вид кераміки став настільки масовий і загальнодоступний, що навіть важко повірити, як дорого колись коштували вироби з фарфору. Така кераміка дуже практична і красива, поки що вона не має конкурентів.

Зараз багатьом відомо, що до складу фарфорових мас входять три основні компоненти - каолін, кварц і польові шпати. Два перших входять до будівельної кераміки, а у третій компонент - це вже особливість фарфору. У фарфорі , з якого роблять посуд і художні вироби, польового шпату міститься близько 30%, а у фарфорі, з якого виготовляють технічні деталі, його менше, а глинистих речовин більше. Тільки у деяких видах фарфору польового шпату зовсім немає, але тоді добавляють його замінники.

Знаючи роль окремих компонентів фарфору, можна в широких межах змінювати його властивості, виробляти такий фарфор, який найбільше задовольнив би наші вимоги.

Є й так званий кістковий фарфор. У ньому польовий шпат і кварц замінено кістковим борошном, яке складається з досить легкоплавких фосфатів кальцію. У такому фарфорі багато скла і мало муліту. Він гарний, добре пропускає світло.

Особливо різноманітний технічний фарфор, у якому змінюється не тільки склад скла, а й вид кристалів; разом з мулітом міститься циркон, корунд і т. д. Це надає фарфору або високих електро- і радіотехнічних властивостей, або підвищеної жаростійкості, або стійкості проти коливань температури.

Під час буріння свердловин як промивний розчин для підняття на поверхню землі вибуреної породи застосовують розчин твердих речовин у воді, як правило, оброблений хімічними сполуками. У такій системі утворюється просторова структура необхідної міцності, в якій утримуються без осідання різні частинки гірських утворень. Але під час буріння глибоких чи надглибоких свердловин дуже легко натрапити на поклади солі або пластові електроліти. Під дією солей чи електролітів, а також високих температур вода від промивного розчину відділяється, дисперсна фаза, разом з вибуреною породою осідає, прихвачуючи буровий інструмент, і робота зупиняється. Щоб прихвату позбутися, найчастіше застосовують нафтові ванни. Але не завжди це допомагає. Тоді втручаються хіміки.

За допомогою хімічних реагентів розробляється новий склад промивної рідини. Хімічні реагенти обволікають частинки твердої фази досить тонкою плівкою і не дають їм можливості злипатися під агресивною дією пластикових електролітів і сольових покладів. Та більш радикальним способом запобігання прихвачуванню є використання спеціальних глин, які самі по собі в цих умовах досить температуросолестійкі. Таку глину - палигорськіт - знайшли геологи у 1958 р. на Черкащині. Хіміки всебічно дослідили її і випробували. За допомогою промивного розчину такої глини можна успішно бурити на сотні й тисячі метрів у глибину нашої планети.

Широкого практичного застосування набули клеї-цементи з кислотними і водосольованими утворювачами, а також клеї зв'язки алюмофосфатні, хромофосфатні, магній-фосфатні, клеї на основі оксинітратів і оксихлоридів алюмінію і цирконію, силікатів лужних металів, рідкого скла, концентрованих розчинів кремнієвої кислоти і гетерополісполук, а також алюмосилікатні клеї і зв'язки з неорганічних смол. Клеї-цементи використовують для склеювання, грануляції, агломерації, формування, покриття для металів, виробництва композиційних металів.

Перелік використаної літератури

1. Реми Г. Курс неорганической химии. том 1. М.: Мир.1972.

2. Общая химия. / Под редакцией Соколовской Е.М. и Гузея Л.С. М.: Московский университет.1989.

3. Химический энциклопедический словар / редакцией И.Л.Кнунянца. М.: Московская энциклопедия. 1983.