додати матеріал

приховати рекламу

Роль хімії в створенні надчистих матеріалів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

Маріупольський міський технічний ліцей

 
 
 
 





 
 
 

Реферат

на тему: «Роль хімії в створенні надчистих матеріалів»
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                           Виконав:
учень 411 групи
Аніщенко Сергій
 
 
 
 
 
м. Маріуполь
2003
План
Введення.
1. Про термін «надчисті матеріали».
2. Отримання чистих кольорових металів.
3. Іонний обмін.
Висновки.
Література.
Введення
Людська цивілізація впродовж свого розвитку, принаймні, в матеріальній сфері постійно використовує хімічні, біологічні та фізичні закономірності, що діють на нашій планеті, для задоволення тих чи інших своїх потреб.
У давнину це відбувалося двома шляхами: свідомо чи стихійно. Нас, природно, цікавить перший шлях. Прикладом усвідомленого використання хімічних явищ можуть служити:
- Скисання молока, що використовується для одержання сиру, сметани та інших молокопродуктів;
- Бродіння деяких насіння, наприклад, хмелю в присутності дріжджів з утворенням пива;
- Сублімація пилку деяких квітів (маку, конопель) і отримання наркотиків;
- Бродіння соку деяких плодів (у першу чергу, винограду), що містить багато цукру, в результаті чого отримували вино, оцет.
Революційні перетворення в життя людини вніс вогонь. Людина почала використовувати вогонь для приготування їжі, у гончарному виробництві, для обробки і виплавки металів, переробки деревини на вугілля, випарювання та сушіння продуктів на зиму.
З часом у людей виникала потреба все в нових і нових матеріалах. Неоціненну допомогу в їх створенні надавала хімія. Особливо велика роль хімії у створенні чистих і надчистих матеріалів (надалі скорочено - СЧМ). Якщо у створенні нових матеріалів, на мій погляд, лідируюче положення займають все ж таки фізичні процеси і технології, то отримання СЧМ найчастіше більш ефективно і продуктивно з допомогою хімічних реакцій.
У даному рефераті викладено деякі досягнення хімії, в основному, в отриманні СЧМ неорганічного походження без застосування або при мінімумі фізичних і біологічних методів впливу. Іншими словами, виняткова чистота одержуваних матеріалів забезпечується, в першу чергу, протіканням відповідних хімічних реакцій. Наприклад, отримання порошку металу розпиленням його розплаву на центрифузі - фізичний процес. Але попутна очищення порошку металу, наприклад, від водню шляхом розкладання гідридів цього металу у вакуумі при високій температурі - це типовий приклад отримання СЧМ за допомогою хімії.
У рефераті передбачається, що отримання СЧМ - це і освіта щодо чистого в порівнянні з природним прототипом матеріалу з інших речовин або сполук, і очищення вихідного «брудного» матеріалу з зменшенням його забрудненості в кілька разів або на кілька порядків.
1. Про термін «надчистих матеріалів»
Успіхи хімії за останні десятиліття винятково великі і не менш значний технічний прогрес в області чистих речовин і матеріалів. За 30 - 40 років змінилося в корені саме поняття про чисте матеріалі (зокрема, про "хімічно чистому" і «надчистої»).
Деякі автори [6] стверджують, що створена заново нова галузь хімії, що займається особливо чистими і надчистими матеріалами. Якщо 50 років тому кращі зразки реактивів містили не менше 1ž10 -2 - 1ž10 -3% домішок багатьох елементів, то тепер випускаються вітчизняні надчисті матеріали, зміст окремих домішок у яких не перевищує 1ž10 -8 - 1ž10 -10%.
У зв'язку з цим, виникає питання про коректність терміна «надчисті матеріали». Такими можуть назвати як матеріали, що містять домішок, вимірюваним відсотками і десятими їх частками, так і матеріали, забрудненість яких на кілька порядків менше. Точного критерію оцінки чистоти, точніше, забрудненості матеріалу не існує.
Слід мати на увазі, що при виробництві чистих матеріалів, як правило, відносно легко вдається знизити вміст домішок з 0,1-1% до сотих часток відсотка. Подальша очищення є значно більш складною і трудомісткою задачею. Зниження на один порядок змісту тієї чи іншої домішки, починаючи з 10 -3%, вимагає застосування спеціальних методів очищення.
Значно зростають труднощі при роботі з продуктами особливої ​​чистоти, що містять домішки порядку 10 -5% і нижче. Вироблення такої продукції потребує спеціально обладнаних приміщень з ретельно профільтрованим повітрям, повної відсутності металевих предметів, використання посуду з пластмас особливих типів. Застосування дистильованої води (навіть двічі плі тричі перегнанной) абсолютно неприпустимо - можна застосовувати лише воду, що пройшла додаткове очищення за допомогою іонітів.
Найсуворіші заходи вживаються також для усунення можливості попадання будь-яких забруднень з рук або одягу працюючих. Для цієї мети, зокрема, використовується лавсанова спецодяг (не дає ворсинок), особливі туфлі і гумові рукавички.
При роботі з матеріалами треба завжди пам'ятати, що зниження вмісту домішок навіть на один порядок призводить до дуже різкого зростання (в геометричній прогресії) ціни матеріалу. Тому не слід використовувати для маловідповідальних робіт матеріали високої чистоти. Крім того, вибір методу очищення (фізичного, хімічного або біологічного) повинен бути обгрунтований техніко-економічними розрахунками ефективності.
За існуючим в Україні ще з часів СРСР положення для матеріалів встановлено кваліфікації "чистий" (ч.), "чистий для аналізу" (ч. д. а.), "Хімічно чистий" (х. ч.) і "особливо чистий" (ос. ч.). Остання кваліфікація іноді ділиться ще на декілька марок.
Матеріали кваліфікації "чистий" можуть з успіхом застосовуватися в найрізноманітніших роботах як експериментального, так і виробничого характеру.
Матеріали "чисті для аналізу", як показує сама назва, призначені для аналітичних робіт, що виконуються з великою точністю. Вміст домішок у препаратах ч. д. а. настільки мало, що зазвичай не вносить помітних похибок у результати аналізу. Ці матеріали цілком можуть бути використані в науково-дослідних роботах.
Нарешті, матеріали кваліфікації "хімічно чистий" призначені для відповідальних наукових досліджень, вони використовуються також в аналітичних лабораторіях як речовин, за якими встановлюються титри робочих розчинів.
Ці три кваліфікації охоплюють всі матеріали загального призначення. Препарати більш високого очищення ("особливої ​​чистоти") призначені лише для спеціальних цілей, коли навіть мільйонні частки відсотка домішки є абсолютно неприпустимими. Основні споживачі таких препаратів - промисловість напівпровідникових матеріалів, радіоелектроніка, квантова електроніка. Абсолютно неприпустимо і безглуздо використовувати дорогі матеріали особливої ​​чистоти для виконання рядових аналітичних і наукових робіт.
Речовини особливої ​​чистоти діляться на три класи. Клас А ділиться на підкласи А1 (вміст основної речовини 99,9%) і А2 (99,99% основної речовини). Цифра після букви А характеризує число дев'яток після коми. Відповідно до змісту основної речовини розрізняють підкласи В3, В4, В5 і В6. Нарешті, надчисті речовини утворюють клас С, який поділяється на підкласи С7-С10.
Для відмінності підкласів речовин особливої ​​чистоти введена маркування. На тарі з матеріалом кожного підкласу є етикетка особливого кольору, за якою можна визначити ступінь забрудненості матеріалу (див. таблицю).
Ступінь забрудненості «надчистих матеріалів»
Таблиця
Підклас
Колір етикетки
Зміст основного компонента,%
Вміст домішок,%
А1
коричневий
99,9
10 -1
А2
сірий
99,99
10 -2
В3
синій
99,999
10 -3
В4
блакитний
99,9999
10 -4
В5
темно-зелений
99,99999
10 -5
В6
світло-зелений
99,999999
10 -6
С7
червоний
99,9999999
10 -7
С8
рожевий
99,99999999
10 -8
С9
помаранчевий
99,999999999
10 -9
С10
світло-жовтий
99,9999999999
10 -10
Існують і інші методи класифікації матеріалів особливої ​​чистоти. Так, у науково-дослідному інституті хімічних реактивів і особливо чистих речовин (ІРЕА, Москва) було запропоновано характеризувати чистоту препарату за сумарним вмістом певного числа мікродомішок. Наприклад, для особливо чистого SiO 2 нормується десять домішок (Аl, В, Fe, Са, Mg, Na, Р, Ti, Sn, Рb), причому загальний вміст їх не перевищує 1ž10 -5%. Для такого
препарату встановлюється індекс "ос. ч. 10 -5".
Для пакування матеріалів високої чистоти необхідно повністю відмовитися від скляного посуду, що є джерелом забруднень. Тому найчастіше використовують поліетиленові банки, ще краще застосовувати банки з тефлону (фторопласт-4).
У сучасному виробництві СЧМ використовується досить багато різних методів очищення, основними серед них є:
- Перекристалізація;
- Хімічне осадження;
- Транспортні реакції;
- Дистиляція і ректифікація;
- Екстракція;
- Зонна плавка;
- Іонний обмін і адсорбція.
Опис усіх цих методів не входить у завдання даного реферату. Розглянемо деякі з цих методів на прикладах отримання кольорових металів заданої чистоти / забрудненості.
2. Отримання чистих кольорових металів
Руду кольорового металу добувають із землі і очищають від більшої частини порожньої породи. Але навіть кращий, стовідсотковий рудний концентрат - лише сировина. Його можна назвати надчистих концентратом, але метал в ньому є сусідами з великою кількістю домішок. Щоб отримати чистий і надчистих металів, його потрібно витягти з шуканого концентрату.
При збагаченні руди руйнуються порівняно слабкі зв'язки мінералів у природі. Тепер же потрібно вторгнутися всередину мінералу, всередину з'єднання, порвати найміцніші хімічні зв'язки між елементами. Тут не обійдешся дією відцентрової сили або бульбашок піни, що застосовувалося на збагачувальних фабриках. Потрібні більш потужні засоби. І, перш за все, - високі температури. Та галузь металургії, яка їх використовує, носить ім'я пирометаллургии (від слова, що означає в перекладі з грецького «вогонь»).
     Головні супутники кольорових металів у рудах - сірка і кисень. Їх-то і потрібно видалити. Спочатку спробуємо «розправитися» з сіркою. Метали так міцно пов'язані з нею, що «погоджуються» тільки на обмін - місце сірки повинен зайняти інший елемент. Звичайно їм виявляється кисень. А проходить ця реакція обміну при випалюванні руд - сірка вигорає, її місце займає кисень. Для міді існує спеціальний процес - зонна плавка, при якому енергію горіння забезпечує сама сірка, що підлягає видаленні. Зоїної плавкою отримують також чисті кремній і германій - основні матеріали для напівпровідників (їх можна отримувати і електролітичним осадженням).
Але повернемося до процесу видалення сірки. У кінцевому рахунку, перед металургом знову оксид - тільки на цей раз не природний, а штучний.
Настає самий відповідальний момент - «прощання» з киснем. Принцип дуже простий: кисню «пропонують» який-небудь «ласий» для нього елемент - вуглець, водень, кремній. А хром, титан, марганець, наприклад, можна звільнити від кисню за допомогою більш дешевого, ніж вони, алюмінію.
Називається цей процес відновленням металів з ​​руд. Для того щоб він міг іти, пускають у хід високі температури, розплавляючи руду.
Спробуйте змішати в пляшці воду і рослинну олію. Як не перемішуй, масло, в кінці кінців, спливе. Ось так само не можуть змішатися в розплаві і спливають нагору більш легкі, чим метал, рідкі шлаки. Внизу, під їх шаром, - розплавлений метал. Все це відбувається у величезній печі, всередину якої вдуваються паливо і повітря, а на поду плавиться під дією полум'я концентрат. Виходять з печі окремо рідкі шлаки і рідкий штейн - так називають суміш міді з залізом, сірої, сріблом, золотом, нікелем і т. д.
Штейн надходить від печі в перетворювачі. У них, як і при переробці чавуну, через штейн продувається повітря. Так випалюється сірка, видаляється залізо. Але йдуть на це не хвилини, як у конвертерах для чавуну, а години, часто навіть десятки годин. Зате тепер замість штейну виходить чорнова мідь. Домішок в ній тільки 1 ... 2%, а не 70 ... 80%, як в штейні. Але і ці маленькі відсотки не влаштовують техніку.
Знову пускається в хід вогонь. Наступна стадія очищення міді так і називається - вогневе рафінування. Знову випалюються залишки сірки та деяких інших елементів. І знову при цьому частина міді окислюється. Щоб повернути міді свободу від кисню, у ванну з розплавом занурюють дерев'яні жердини, немов дражнять мідь. Це так і називається - дразненіе. Дерево відбирає у міді кисень. Тепер домішок вже тільки десяті частки відсотка.
Колись із цим доводилося миритися. Тепер можна йти далі. Мідь відправляється на електроліз. Брусок очищується міді міститься в електролітичну ванну в якості анода. Електричний струм транспортує до катода тільки атоми міді. Золото, платина, срібло опускаються на дно ванни. Вони теж не пропадуть.
Все більше значення набуває зараз хлорування металів. Руду кольорового металу, наприклад, олова, обробляють хлором. Потім завдання вже не у відновленні металу, не у звільненні його від кисню, а в руйнуванні з'єднання металу з хлором. Це простіше і не потребує таких високих температур. Тому й поширюється цей метод, незважаючи на один недолік хлору - їдкість.
Зокрема, за хімічної реакції
TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2
на переважній більшості заводів отримують титан. А ось поруч з нами в селищі Донському на хіміко-металургійному заводі (тепер це хіміко-металургійна фабрика комбінату ім. Ілліча) титан отримують набагато чистішим, ніж при хлоруванні. Для цього замість хлору використовують йод. На жаль, одержуваний дуже чистий титан має високу ціну, через що його виробництво зараз призупинено, що є додатковим підтвердженням зробленого раніше висновку про необхідність економічного критерію вибору методів очищення.
Але повернемося до електролізу. Він допомагає металургам і в отриманні алюмінію з розплавленого з'єднання металу з киснем.
Дуже складне завдання поставив у свій час перед металургами цей найважливіший з кольорових металів. Його рудний концентрат - глинозем (окис алюмінію) - плавиться при дуже високій температурі - дві з гаком тисячі градусів. Майже на 1000 0 вище точки плавлення міді. Щоб знизити температуру плавлення, довелося штучно знижувати концентрацію алюмінію в електролітичній ванні - розчиняти глинозем у розплавленому мінералі кріоліті. Точка плавлення розчину трохи нижче 1000 0 С. А це вже влаштовує металургів. Правда, природного кріоліту на землі так мало, що мінерал цей доводиться виготовляти штучно. Але і це все одно дешевше, ніж кожен раз нагрівати чистий глинозем.
В розпеченому розчині молекули глинозему розпадаються на складові частини - атоми алюмінію і атоми кисню. Електричний струм захоплює атоми алюмінію і транспортує їх на катод. У даному випадку катодом служить дно самої ванни з глиноземно-кріолітовим розплавом.
На прикладі отримання чистого алюмінію показана вирішальна роль хімії в отриманні чистого алюмінію. Зокрема, фахівцям у галузі хімії довелося: 1) створити новий матеріал - кріоліт; 2) створити нову суміш «глинозем + кріоліт»; 3) створити нову технологію витягу алюмінію з вказаної вище суміші.
Титан і магній, кальцій і берилій, і багато інших метали часто отримують за допомогою електролізу, розкладаючи їх розплавлені солі. Але для того, щоб зробити ці солі рідкими, знову потрібні високі температури.
Однак металурги в ряді випадків вміють обходитися без такого сильного нагрівання. Крім пирометаллургии, існує гідрометалургія. Тут метал також переводиться в рідину, але не вогнем, а з допомогою хімічного розчинника. Їм можуть виявитися і просто вода, і розчини кислот, лугів, солей, і складні органічні рідини.
Витягти чистий метал з розчину його сполуки порівняно легко. В одних випадках пускають в хід електроліз. В інших вдаються до обмінних хімічним реакціям. Знову основна заслуга в очищенні матеріалу належить хімії.
Якщо опустити в рідкий мідний купорос шматок заліза, хоча б старе бритвене лезо, на ньому почне осідати мідь. В обмін в розчин йдуть іони заліза. Той же по суті процес йде в заводських масштабах на багатьох підприємствах, які отримують мідь.
Особливо широко застосовується гідрометалургія при переробці комплексних руд. У нашій країні є комбінати, які з одного родовища видобувають 8, 11, 14 хімічних елементів. А хіміки Німеччини на унікальному родовищі - Мандсфельдскіх нафтових сланцях - отримують навіть відразу 25 елементів. Коли в кожному кубічному сантиметрі руди є, скажімо, і марганець, кобальт і, і молібден, і ще добрий десяток найцінніших елементів, куди легше відокремити метали в цілому від порожньої породи, ніж один від одного. І ось рудний концентрат по черзі обробляється сильними реактивами. Прагнуть до того, щоб у кожної рідини розчинилися з'єднання лише одного металу, виділити який вже не становить великої праці.
Що стосується гідропроцесів, що використовуються для очищення та отримання чистих матеріалів, особливий інтерес представляють іонообмінні процеси, здійснювані з допомогою іонообмінних смол.
3. Іонний обмін
Коли говорять про чистоту води, зазвичай мають на увазі джерельну воду, озеро Байкал з його величезними запасами прісної води.
Однак при найближчому розгляді мова йде не стільки про чисту воду, скільки про прісне і смачною воді. Надчистих вода зазвичай утворюється при дистиляції, але це, на мій погляд, фізичний процес, і його ми розглядати не будемо.
Надчистих за окремими показниками воду можна отримати і хімічними методами впливу. Раніше аналіз води на увазі визначення її основності, жорсткості, вмісту хлоридів і кисню. Зараз в залежності від держави в прісній воді визначають від приблизно двох десятків (в Україні, Росії) до майже чотирьох десятків елементів (США, країни Західної Європи), але, як і раніше, першорядними показниками води є її основність і жорсткість.
Раніше жорсткість води в промислових масштабах знижували очищенням її від солей кальцію і магнію за допомогою, наприклад, олеат калію. Розчинені у воді солі жорсткості при дії олеат калію перетворюються в малорозчинні у воді магнієві і кальцієві солі олеїнової кислоти:
2C 17 H 33 COO + Ca = Ca (C 17 H 33 COO) 2
2C 17 H 33 COO + Mg = Mg (C 17 H 33 COO) 2
Зараз такий процес очищення води вважається анахронізмом. Більш ефективна очищення води досягається з використанням іонообмінних смол.
Синтетичних смол хіміками створено безліч. І, мабуть, одними з найдивовижніших серед них є іонообмінні смоли, або іоніти. Ці смоли володіють рідкісною здатністю: активно вступаючи в хімічну взаємодію з різними речовинами, вони швидко і ретельно очищають від них різні розчини. Застосовуються іоніти, наприклад, для очищення води, що надходить у водопровідну мережу багатьох міст.
Пропускаючи через іоніти морську воду або інший розчин, їх можна звільнити від розчинених солей, тобто зробити те, що за допомогою звичайних фільтрів зробити неможливо.
Синтетичні іоніти не розчиняються ні в кислотах, ні в лугах, через них можна фільтрувати розчини, що мають температуру близько 100 0 С. Вони діляться на дві основні групи. Іоніти однієї групи взаємодіють з іонами, зарядженими позитивним електрикою (катіонами), - це катіоніти. Інші, що взаємодіють з аніонами, називаються аніонітами.
Від звичайних синтетичних смол іоніти відрізняються тим, що вони мають властивості кислот і лугів. У катіонітів - кислотні властивості, у аніонітів - лужні.
Як діють іоніти? Відомо, що молекули багатьох речовин у воді розпадаються на окремі атоми або групи атомів, що несуть електричні заряди (електрична дисоціація). Такі мікрочастинки називаються іонами. Це атоми, що втратили або, навпаки, приєднали до себе зайві електрони. А оскільки іони несуть електричні заряди, ними можна управляти. Іоніти уловлюють ці іони, працюючи як своєрідна пастка (див. рис.1).



Рис.1. Іонна пастка.
Іоніти вже трудяться в самих різних галузях народного господарства. Виключно корисними помічниками вони опинилися, наприклад, на цукрових заводах. По ходу виробництва тут необхідно ретельно очищати від небажаних домішок буряковий сік. Старий спосіб очищення соку порівняно складний і, головне, пов'язаний з великими втратами цукру. Застосували іоніти, і на тому ж обладнанні вихід продукції підвищився відразу на 8-10%.
На металургійних комбінатах ім. Ілліча й «Азовсталь» іоніти використовуються в теплоелектроцентралях для очищення води.
Останнім часом іонообмінні смоли стали застосовувати при очищенні води на лікеро-горілчаних заводах, фабриках по виробництву соків.
З чудовою сумлінністю «виловлюють» іоніти срібло, що йдуть разом з промивними водами з копіювальних фабрик, з фотолабораторій, рентгенівських кабінетів. Пропустити все ці «срібні ріки» через іоніти - все одно, що відкрити нове велике родовище цього цінного металу.
З такою ж сумлінністю ці іоніти «вивуджують» з розчинів домішки золота, міді та багатьох інших цінних металів.
Очищення парових котлів від накипу - справа трудомістка і обходиться державі недешево. Пропущена через іонітових фільтри вода стає настільки «м'якої», що котел може працювати в багато разів довше.
Не можна забувати й іншого. Забезпечуючи високу ступінь очищення різних матеріалів, іоніти дозволяють удосконалювати багато виробничих процесів, сприяють прогресу у багатьох галузях господарства.
У машинобудуванні і теплоенергетиці, гідрометалургії, радіотехніці, харчової промисловості - всюди тепер несуть корисну службу іоніти. А адже сімейство цих чудесних полімерів все росте. Нові іоніти знаходять нове застосування.
Вчені говорять навіть про те, що в майбутньому іоніти будуть отримувати золото з морської води! І це буде економічно вигідно.
Висновки
1. На мій погляд, термін «надчисті матеріали» - не зовсім коректний, оскільки:
- Невідомо, яку чистоту, а точніше забрудненість матеріалів треба вважати звичайною, щоб відносно неї можна було говорити про «надчистої» матеріалі;
- Для одних матеріалів їх висока чистота / мала забрудненість по домішках визначається відсотками і їх частками, а для інших матеріалів, наприклад, для напівпровідників - германія, кремнію - «сверхчістота» має на увазі забрудненість, вимірювану мільярдними частками відсотка.
2. Роль хімії в отриманні «надчистих матеріалів», в основному, полягає в наступному:
- Створенні хімічних реакцій, придатних для одержання чистого матеріалу з інших хімічних сполук;
- Створенні хімічних реакцій, за допомогою яких можна ефективно видаляти домішки і забруднення з відносно чистого матеріалу;
- Винахід нових речовин, здатних хімічним або фізичним шляхом очищати шукані матеріали.
3. Застосування хімічних методів очищення матеріалів замість фізичних або біологічних має бути обумовлено попередніми техніко-економічними розрахунками ефективності отримання надчистих матеріалів.
Література
1. Стьопін Б.Д., Горштейн І.Г., Блюм Г.З. та ін Методи одержання особливо чистих неорганічних речовин. - Л., Хімія, 1969.
2. Фінкельштейн Б.Є. Чистота речовини. - М., Хімія, 1975.
3. Крашенинников С.А., Кузнєцова О.Г., Салтанова В.П. та ін Технічний аналіз і контрол
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат | 63.1кб. | скачати

Схожі роботи:
Роль хімії в створенні нових матеріалів
Отримання надчистих матеріалів для мікроелектроніки
Роль внутрішнього монологу у створенні характеру героя
Історія становлення і розвитку ергономіки та її роль у створенні безоп
Пушкін а. с. - Роль внутрішнього монологу у створенні характеру героя.
Островський а. н. - Роль внутрішнього монологу у створенні характеру героя.
Чехов а. п. - Роль внутрішнього монологу у створенні характеру героя.
Історія становлення і розвитку ергономіки та її роль у створенні безпечних умов праці
Роль видатного вченого Федора Михайловича Хитрова у створенні вітчизняної стоматології
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru