Роль хімії в створенні нових матеріалів

1.  Створення новихматерiалiв – необхiднiсть нашогосьогодення.
2.  Металургiя:
а. добування металiв з вторинноїсировини;
б. порошковаметалургія;
в. безперервне роз­ливаннясталі;
г. плазмовоаметалургія;
д. особливо чистіметали.
3.  Синтетичні високомолекулярніречовини (полімери):
а. штучніволокна;
б. пластмаси;
в. папір.
4.  Кераміка.
5.  Напівпровідники.
6.  Висновок.
Створеннянових матерiалiв – необхiднiсть нашогосьогодення.
 
   
Створення новихматеріалів — це істотна необхідність нашого сьогодення. У сучасних технологіяхчасто застосову­ють високі тиски, температури й агресивну дію хімічних речовин.Матеріали, які використовуються, зокрема в маши­нобудуванні, недостатньо стійкіі міцні. Тому обладнання передчасно зношується, потребуючи частих замін таремонтів. Нових матеріалів вимагають і нові галузі техніки: космічна, атомнатощо. Для практичних потреб необхідні такі мате­ріали, як метали, полімери,кераміка та композити.Металургія
    З металівнайнеобхіднішими і надалі будуть сталі. Загальні тенденції виробництва сталі вивже знаєте, тому розглянемо його перспективи.
    Технічнепереоснащення металургійної промисловості по­в'язане з переходом на виплавляннясталей в конвертерах і електропечах. Це зменшує вигар металу і розширює асор­тиментвироблених сталей. тримуючим фактором тут може бути дефіцит жаростійких івогнетривких матеріалів.
    Важливимджерелом добування металів є вторинна сиро­вина. Наприклад, прининішньому рівні рециркуляції міді її вистачить на 100 років, а якщо йогодовести до 90 % — то на 300 років. До того ж будівництво малих металургійних за­водів,що працюють виключно на металоломі, показало їх високу ефективність вексплуатації при добуванні нових спе­ціальних видів прокату.
    Середрізноманітних способів обробки металів особливе місце займає порошковаметалургія. Вона полягає у форму­ванні виробів з металічного порошку знаступним їх нагрі­ванням до спікання частинок металу. Це перспективний ре­сурсозберігаючийспосіб. У цьому виробництві виключаються доменний і сталеплавильний процеси,прокатка, обробка ме­талів різанням, тобто складні енергоємні процеси,екологічно брудні, з великими витратами теплоти і металу.
    Підвищенняякості металів і виробів з них як один із головних напрямів економії матеріалівбазується на легуванні сталей, тобто введенні в сталь тугоплавких металів:ніобію, вольфраму, молібдену та інших для добування більш твердих і тугоплавкихсталей. Щоб запобігти виникненню дефіциту цих металів, легування ведуть не 1—2металами, а комплек­сом доступних чи більш поширених металів — хрому, нікелю іванадію. Підвищити жаростійкість сплавів вдається, крім загартування,ультразвуковою обробкою розплавів під час кристалізації. Таким способомдосягається підвищення робо­чої температури лопаток турбін із сплаву нікелю зкобальтом від 880 до 1000 °С.
    Все більшевпроваджують у металургію безперервне розливання сталі, що не тількискорочує цикл виробництва, а й підвищує якість відливок. При звичайній відливцізаготовок верхня частина злитка, що становить майже чверть усієї відливки,виходить пористою, її треба відрізати і повертати на переплавку. Безперервнерозливання звільняє від цієї под­війної роботи, бо сплав утворюється більшоднорідний. У перспективі поєднуватиметься безперервне лиття з вакууму-ванням,лиття і кристалізація в магнітному полі, що вже застосовується для сплавівалюмінію.
    Велике майбутнєу застосування плазмової металургії. З фізики ви вже знаєте проплазмовий стан речовини, про властивості і застосування плазми. У металургіїпід впливом плазми відбувається термічна дисоціація руди, реагуючі ре­човинишвидко утворюють гомогенну систему. Під дією плаз­ми не тільки інтенсифікуєтьсявідновлення заліза, а й скоро­чується металургійний цикл: двостадійний процес(домна, конвертер) стає одностадійним (пряме відновлення), необ­хідністьшихтування й агломерації руди відпадає. Плазмова металургія дає змогупереробляти руди комплексно, а це спосіб розв'язання проблеми безвідхіднихвиробництв у мета­лургії.
    Як самостійнийклас нових матеріалів можна розглядати особливо чисті метали. У нихвдалося знизити вміст домішок до  1 • 10-6 — 1 • 10-7 %. До 1925р. увесь титан у світі мав 0,5 — 5 % домішок, його технологічно не можна булооброб­ляти. Тепер добуто чистий титан, який кується, витягується в дріт, а припрокатуванні утворюються листи й навіть фольга. Саме добування чистих цирконіюі танталу дало можливість запровадити їх у машинобудування й атомну енергетику.Синтетичні високомолеку­лярні речовини
    Базова рольметалів у конструкціях машин зберігається. Але все більше використовують синтетичнівисокомолеку­лярні речовини (полімери). Поряд із добре відомими їхнімивластивостями: низька густина, стійкість проти агресивного середовища, добрідіелектричні і теплофізичні показники, стійкість проти стирання — за останніроки добуто полімерні матеріали з іншими важливими якостями. Деякі з них маютьвелику міцність на розрив — до 2000 кг/мм2 і термостійкість до 1000°С. Головною проблемою полімерів є їх ще явно недостатня довговічність.
    Неможливо ниніуявити собі економіку і повсякденне жит­тя без синтетичних каучуків, безхімічних волокон, з яких виготовляють не тільки одяг, а й вироби технічногопризна­чення (капронові деталі, риболовецькі сітки тощо).
    Все більшевикористовуються пластмаси. Це лінолеум для підлоги й плівкові матеріали длястін, санітарно-технічні вироби і тепло- та звукоізоляційні матеріали. Асинтетичні смоли й відходи деревообробки впроваджуються у вироб­ництводеревинно-стружкових і деревинно-волокнистих плит, які використовують дляоздоблення приміщень.
    Дуже поширенимматеріалом є папір — продукт переробки целюлози. Але такий папір малостійкий противологи, соняч­ного світла, коливань температури. Він швидко висихає, почи­наєламатись. Папір руйнують гриби та мікроорганізми, з'їда­ють багато видів комах.
    Хіміки постійнопрацюють над удосконаленням паперу, підвищенням його міцності. Зокрема, в папірвводять син­тетичні волокна (лавсан, нітрон, поліпропілен, вінол). Папір закрилових волокон не боїться розведених соляної, азотної і сірчаної кислот.Його можна використовувати як електро­ізолятор в агресивних середовищах дотемператури 130 °С. Папір на основі фторопласту (тефлону) не чутливий до діїкислот і лугів. Дуже міцний і хімічно стійкий папір із нейлонових і поліефірнихволокон, з нього виготовляють фільтри для агресивних рідин.
    Єдиний недолік паперу із синтетичнихволокон, як і інших видів нецелюлозного паперу,— висока його вартість.
    Целюлознийпапір, що містить 20—30 % графітового во­локна, проводитьелектричний струм і в той же час має великий опір. Папір із чистого вуглецювідзначається високою хімічною стійкістю і малою теплопровідністю. Він єосновою шаруватих пластиків для виготовлення апаратів, що працю­ють під високимтиском і при високих температурах, і як упаковка при транспортуваннірадіоактивних ізотопів.Кераміка
    Після металів таполімерів третім за значенням матеріалом останнім часом називають кераміку.Це дуже різноманітна група матеріалів, які добувають спіканням порошків природ­ногоі штучного походження. Хоча пружність кераміки обме­жена, коефіцієнт їїтермічного розширення змінюється в ши­роких інтервалах. Серед керамічнихматеріалів є ізолятори і надпровідники. Порівняно з металами й полімерамикерамічні матеріали стійкіші проти зносу, корозії і радіації. Головним є те, щокераміка доступна й має невичерпні джерела сировини. До керамічних матеріаліввідносять карбіди і нітриди силіцію, оксиди алюмінію та магнію тощо. З нихвиготовляють форми для литва, сопла ракет, турбін, футерують печі тощо. Важ­ливимтехнічним завданням є створення керамічних газо­турбінних, дизельних двигунів ідвигунів внутрішнього зго­ряння різного призначення.
    Новими йперспективними матеріалами стають композити. Це неоднорідні(гетерогенні) системи, що мають матрицю (метал, сплав, полімер, кераміка) інаповнювач (порошок, стружка, волокно), які перебувають у фізико-хімічній взає­модії.Композиційні матеріали міцні і жаростійкі. Так, ком-позит із 80 % сплавузалізо-нікель-кобальт-хром і 20 % нітра­ту силіцію використовують утеплообмінних апаратах, газових турбінах, ракетних двигунах, бо він жаростійкий(до 1100 °С).Напівпровідники
    Велике майбутнєу напівпровідників, які виготовляють з речовин високої чистоти.Матеріали для радіоелектроніки (силіцій, германій тощо) та атомної енергетики(уран, цир­коній, берилій, графіт) не повинні містити домішок більше як 1 • 10-4— 1 • 10-5 %.
    Величезніспоруди, деталі космічних і підводних кораблів, найточніші оптичні приладинеможливо створити без скла. Звичайне, або віконне, скло має чимало вад: легкоб'ється, тріскається від незначного перепаду температур. Це не можезадовольнити потреби науки, техніки і навіть побуту. Сучасна хімічна технологіястворила цілу низку матеріалів зі скла з найрізноманітнішими сферамивикористання. Розглянемо де­які приклади.
    Введеннямінімальних кількостей сполук Феруму (ІІІ), Плюмбуму, Титану і Хрому дало змогудобути скло, яке добре пропускає ультрафіолетові промені. Тому його використову­ютьу будівництві соляріїв, зимових садів, плавальних басей­нів. А скло зпідвищеним вмістом сполук металів затримує ультрафіолетові промені. Так,сполуки Феруму(II) надають склу властивості затримуватитеплові й інфрачервоні промені і тому в приміщеннях з таким склом завждипрохолодно.
    Скло, якемістить підвищену кількість важких металів, непрозоре для радіації, томугодиться для виготовлення огля­дових віконець у «гарячих зонах» атомнихреакторів.
    При загартуванніскла вдалося добути дуже міцний ма­теріал. У нашій державі його називаютьсталініт. Він пруж­ний, як стальна пружина, лист сталініту витримує удар ча­вунноїкульки масою в 1 кг з метрової висоти, яка відскакує від його поверхні, як відкам'яної плити. Багатошарове скло, виготовлене з тонких (0,05 мм) листів скла(50 і більше листів) за допомогою спеціального клею, стійке проти ударів куль,мікрометеоритів, глибинних та космічних тисків, різних пере­падів температур.
    Особливої увагизаслуговують склокристалічні матеріали, добуті введенням у розплавлене склокаталізаторів, головним чином ТіО2, які викликають утворення центрівкристалізації. Такі частково закристалізовані стекла назвали ситалами.Деякі види ситалів добувають на основі металургійних або паливних шлаків(шлакоситали). Це міцні, хімічно і термічно стійкі матеріали з малим тепловимрозширенням, добрі діелектрики, деякі їхні кращі зразки міцнішівисоковуглецевої сталі. Нині властивості таких матеріалів інтенсивно вивчаються, вони мають великі перспективи використання в будів­ництві, хімічнійпромисловості, оптиці і навіть у авіації.
    Порівняно новимиматеріалами є склопластики, які добу­вають із скломаси і смол. Цей моноліт в3—4 рази міцніший за звичайну сталь, в 4 рази легший за неї, не піддаєтьсякорозії. З нього виготовляють вагони, корпуси кораблів і навiть ракети.Висновок
    Для здійсненнякожного хіміко-технологічного процесу потрібна апаратура, виготовлена з такихматеріалів, які здатні опиратися різним агресивним впливам, у тім числіхімічним, механічним, термічним, електричним, часом і радіаційним табіологічним.
    Хімія робитьсуттєвий внесок у створення різноманітних матеріалів: металічних інеметалічних. Серед металічних ма­теріалів найчастіше використовуються сплавина основі залі­за — чавун і сталь, на основі міді — латунь ібронза, на основі алюмінію, магнію, нікелю, ніобію, титану, танталу, цирконію таінших металів. З металічних сплавів ви­готовляються теплообмінники, ємкості,мішалки, трубопрово­ди, контактні апарати, колони та інші апарати.
    Для поліпшенняякості металічних матеріалів використо­вують порошкову металургію. Вонавключає процеси вироб­ництва металічних порошків і спікання з них виробів.Сучасна порошкова металургія займається, по-перше, створенням ма­теріалів івиробів з такими характеристиками (склад, струк­тура, властивості), яких досінеможливо досягти відомими ме­тодами плавки; по-друге, виготовленнямтрадиційних мате­ріалів і виробів, але за вигідніших техніко-економічних показ­никіввиробництва.
    У розробцітеоретичних основ найважливіших процесів по­рошкової металургії провідне місцепосідає Інститут проблем матеріалознавства НАН України. Перший в Україні (і вко­лишньому СРСР) завод порошкової металургії став до ладу в м. Бровари(поблизу Києва) у 1965 р.
    Середнеметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на основіфенолформальдегідних смол, полівініл­хлориду, поліетилену і фторопластів. Ціматеріали, на відміну від металічних, виявляють високу стійкість до агресивнихсередовищ, мають низьку густину, високу тривкість до стирання, добрі діелектричній теплоізоляційні властивості. Окрім цього, важливе значення мають каучуки тарізні мате­ріали на їх основі — бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучукитощо.
    До групинеметалічних матеріалів належать і такі тради­ційні матеріали, як кераміка, порцеляна,фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, які знаходять дедалі нове і новевикористання.
    Останнім часомвимоги до матеріалів неухильно зроста­ють. Це пояснюється тим, що значно ширшезастосовуються тепер екстремальні впливи — надвисокі й наднизькі тиски татемператури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі випроміню­вання, ферменти. Зогляду на це зростає також роль хімії у створенні нових матеріалів, здатнихопиратися цим впливам.Особливе місце серед нових матеріалів посідають компо­зити.
 Композиційніматеріали, що складаються зпластичної основи  (матриці) танаповнювача, називаються композитами.
    Серед композитіввиділяють кермети (кераміко-металічні матеріали), норпласти (наповненіорганічні полімери) і піни (газонаповнені матеріали).
    Як основу(матрицю) використовують метали і сплави, по­лімери, кераміку. Наповнювачі, щозастосовуються, особливо для композитів на основі пластмас, значнорізноманітніші. Від них залежить міцність і жорсткість композитів.
    ВУкраїні започатковані принципово нові методи добуван­ня композитів, наприкладна основі боридів металів (віднов­лення оксидів металів бором у вакуумі такарбідом бору). Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу й силіцію, атакож безпосереднє відновлення оксидів металів силіціємтощо. Багатьма своїмивластивостями — міцністю, ударною в'язкістю, міцністю від утоми тощо —композити значно пе­ревищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби су­спільствав них і взагалі у нових матеріалах безперервно зростають. На виготовленнякомпозитів витрачають великі кошти, цим пояснюється той факт, що головнимиспожива­чами композитів поки що є авіаційна і космічна промисло­вості.
    Як бачимо,роль хiмiї у створеннi рiзноманiтнихматерiалiв, з яких ми розглянули лише деякi, дуже велика.
Список використаної літератури:
 
1. Н.Н. Чайченко.Основи загальної Хімії. Київ. “Освіта” 1998.
2. Н.М. Буринська.Хімія. Київ. “Ірпінь” 2000.
3. Велика ілюстрована енциклопидія школяра. Київ. “Махаон Україна”.